[发明专利]一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及超声波功率测量方法，特别涉及一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置。

背景技术

超声机械振动波目前被广泛应用于清洗、破碎、防垢、除垢、医疗、矿山开采等诸多领域，其产生的机械振动波为高频率小振幅的超声机械波。

超声机械振动波在液体中传播时的“声压”剧变使液体发生强烈的“空化”和“乳化”现象，每秒钟产生数百万计的微小旋涡和空化气泡，这些微小旋涡和空化气泡在声压作用下急速的大量产生，并不断地游走和猛烈的爆破，产生强大的冲击力和负压吸力，足以使顽固的污垢剥离。声压的大小取决于超声机械振动波的功率大小，太大时有可能破坏和影响被作用设备的安全运行，所以，要有定量分析的科学依据。

在生产实践中，人们对于低频率大振幅的振动波的功率已有了较成熟的测量手段，但是对于高频率小振幅的超声机械振动波的功率尚未有成型的测量方法。对于超声波设备的能量和功率等数据，以往给出的数据都是理论和经验数据，没有经过科学测量的准确数据。又因为超声机械振动波是超声离散信号，不能用仪器仪表简单测量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置。能够实现高频率小振幅超声机械振动波功率的测量，并且是精度高，灵敏度高的测量手段；本发明的高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置采用电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器和过荷保护级将压电加速度传感器检测到的高频率小振幅超声机械振动波的微弱电荷信号进行了放大、滤波、调节等处理，使微弱的信号能够被检测出来，并为机械振动波功率的计算提供了满意的参数数值。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法，所述方法为：

步骤一、将超声波换能器安装在长和宽均为200mm，厚度为15mm的钢板上，作为超声波振动源，在对应换能器振动源的钢板另一侧安装压电加速度传感器；

步骤二、压电加速度传感器将振动的机械波转换成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗极高(>109Ω)；

步骤三、采集压电加速度传感器的微弱电荷信号和波形信号，并对采集到的信号进行放大、滤波、调节，最后得到清晰的电压波形和电荷值大小；

步骤四、将经过放大、滤波、调节后的电压波形和电荷大小信号接入100MHz的示波器进行显示，所测得的电荷大小按比例得出振动加速度大小值，示波器上显示的电压波形信号可以得出振动波频率和角频率的大小值；

步骤五、将所测得的振动加速度和振动角频率进行计算如下：

a＝ω²A(式中：a为加速度，ω为振动波的角频率，A为振动波的振幅)，

得出振幅值A；

步骤六、再依据如下公式计算出功率密度：

I＝2л²ρC(Af)²

(式中：I为功率密度，单位W/cm²,ρ为传播介质密度，单位Kg/m³，C为传播介质传播速度，单位m/s；A为振幅，单位m,f为振动频率，单位Hz)；

步骤七、计算出功率密度后，再根据换能器接触面积S(cm²)乘以功率密度I得出机械振动波的功率：

P＝IS(式中：P为振动波功率，单位W，I为功率密度，单位W/cm²,S为换能器接触面积，单位cm²)。

用于所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法的装置为将检测到的压电加速度传感器的电荷信号进行采集、放大、滤波和调节的装置，所述装置包括电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器、过荷保护级和电源。

从压电加速度传感器信号接收输入端依次连接电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器和过荷保护级，末级功率放大器输出端连接所述装置的输出端子，输出端子连接外部的示波器，电源为装置提供正负15伏的电源。

所述电荷变换级以运算放大器A1为主元件，A1采用的是美国高输入阻抗、低噪声、低漂移、宽带、精密运算放大器，其输入端并联三种电容：

Ca：配接传感器的自身电容；

Cc：传感器输出低噪声电缆电容；

Ci：运算放大器A1的输入电容；