本实用新型专利技术公开了一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置，该装置包括测量换能器电压的电压传感器、测量换能器电流的电流传感器、第一调理电路、第二调理电路、ARMCortex-M3微处理器和TFT-LCD显示单元；本实用新型专利技术测量精度高，计算量小、适用于非同步采样，且非常适合高频信号的相位差测量。可以实时获取换能器工作过程中的电压、电流信号频率，根据实际信号频率修正测量误差，得到高准确度的换能器阻抗角，且该频率还可以为超声波发生器实现频率跟踪提供依据。
【技术实现步骤摘要】
本技术属于电子测量
，具体涉及用于一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置。
技术介绍
在蜂窝复合材料的超声切割过程中，为了克服切割过程中蜂窝复合材料所出现的撕裂、压塌、毛刺和芯格变形等问题，需要对超声切割所用的换能器和超声波发生器进行匹配，以得到高的换能器工作效率和高的加工质量。然而，在实际切割中，常常由于外界负载、温度等因素的变化，导致发生器和换能器之间达不到良好的匹配，最终导致加工质量和加工效率极度降低，严重时甚至损坏声振系统。因此，有学者提出采用动态匹配的方式，使发生器输出频率动态地跟踪声振系统的谐振频率的变化，故需要通过在线检测超声换能器和超声波发生器组成的匹配系统的阻抗，并据此调节匹配网络的参数,使声振系统始终处于谐振状态，由于不匹配时，匹配系统的阻抗为复阻抗，阻抗角不为零，谐振时阻抗角为零，因此，有必要通过检测换能器和超声波发生器所组成的匹配系统的阻抗角，通过阻抗角的大小来判断系统是否处于谐振状态，并根据阻抗角的大小调节匹配网络的参数，使声振系统处于谐振状态。工程领域中，阻抗角的测量多采用换能器两端的电压和流经换能器的电流之间的相位差进行检测。常用的相位差测量方法有过零法、频谱分析法和相关法。其中，过零法易受外界因素影响，采样精度不高。频谱分法是利用离散傅里叶变换原理将时域信号变换到频域，再根据相频特性确定两信号的相位差，但该方法往往会产生频谱泄漏和栅栏效应。相关法是在时域内对两信号作相关运算后进而得到相位差。相关分析法具有良好的噪声抑制能力，响应速度快，可准确测量出相位差，实时性较强，但相关法必须在同步采样条件下。然而，在实际测量过程中，由于各种因素的影响，如被测信号频率的缓慢波动、硬件设备的性能不理想等，数据系统很难做到严格的同步采样，且存在周期误差。为了提高相位差测量的准确性，又出现了多种测量新方法。如贝克斯频谱估计法、多谱线插值DFT算法、加窗函数法、非同步FFT算法、神经网络法等。
技术实现思路
本技术针对现有技术的不足，提出了一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置。实现本技术目的的技术解决方案为：一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置，该装置包括测量换能器电压的电压传感器、测量换能器电流的电流传感器、第一调理电路、第二调理电路、ARM Cortex-M3微处理器和TFT-LCD显示单元；电压传感器与第一调理电路信号输入接口通过杜邦线连接，电流传感器与第二调理电路通过杜邦线连接；第一调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARMCortex-M3微处理器内部的一个模数转换器输入口连接；第二调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARM Cortex-M3微处理器内部的另一个模数转换器输入口连接；电压传感器接±15V电源，电流传感器接+5V电源，第一调理电路接+5V电源，第二调理电路接+5V电源；ARM Cortex-M3微处理器接+5V电源，ARM Cortex-M3微处理器与TFT-LCD显示屏通过8060总线连接；所述的第一调理电路，包括第一霍尔电压传感器U1、第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B、第三运算放大器U2C、第四运算放大器U2D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1和第二二极管D2；第一霍尔电压传感器U1的型号为CHV—25P；第一电阻R1一端与电压传感器的输入端In+相连，另一端与霍尔电压传感器U1的1脚相连，电压传感器的输出端In-与霍尔电压传感器U1的2脚相连，霍尔电压传感器U1的3脚与15V电源的负极相连，霍尔电压传感器U1的4脚与15V电源的正极相连，霍尔电压传感器U1的5脚与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与地相连；第三电阻R3的一端与霍尔电压传感器U1的5脚相连，另一端与第一运算放大器U2A的正向输入端相连，第一运算放大器U2A的反向输入端与输出端相连，第一运算放大器U2A的正电源端与+15V电源相连，第一运算放大器U2A的负电源端与-15V电源相连，第一运算放大器U2A的输出端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第一电容C1的一端与第四电阻R4的另一端相连，第一电容C1的另一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第二电容C2的一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第二电容C2的另一端与地相连，第二运算放大器U2B的反向输入端与第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端相连，第六电阻R6的另一端与地相连，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器U2B的7端相连，第二运算放大器U2B的正电源端与+15V电源相连，第二运算放大器U2B的负电源端与-15V电源相连，第八电阻R8的一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第八电阻R8的另一端与第三运算放大器U2C的反向输入端、第9电阻R9的一端、第十一电阻R11的一端相连，第九电阻R9的另一端与+5V电源相连，第三运算放大器U2C的正向输入端与第十电阻R10的一端相连，第十电阻R10的另一端与地相连，第十一电阻R11的另一端与第三运算放大器U2C的输出端、第十二电阻R12的一端相连，第三运算放大器U2C的正电源端与+15V电源相连，第三运算放大器U2C的的负电源端与-15V电源相连，第十二电阻R12的另一端与第四运算放大器U2D的反向输入端、第十四电阻R14的一端相连，第四运算放大器U2D的正向输入端与第十三电阻R13的一端相连，第十三电阻R13的另一端与地相连，第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器U2D的14端、第十五电阻R15的一端相连，第四运算放大器U2D的正电源端与+15V电源相连，第四运算放大器U2D的负电源端与-15V电源相连，第十五电阻R15的另一端与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极连接并作为输出接口Out，第一二极管D1的阴极接+3.3V电源，第二二极管D2的阴极与地相连，经调理电路1调理之后的换能器电压输出接口Out与微处理器ARM Cortex-M3内部模数转换器的一个输入接口相连；所述的第二调理电路2，包括第一霍尔电流传感器，第一电容C1，第一霍尔电流传感本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置，该装置包括测量换能器电压的电压传感器、测量换能器电流的电流传感器、第一调理电路、第二调理电路、ARM Cortex‑M3微处理器和TFT‑LCD显示单元；其特征在于：电压传感器与第一调理电路信号输入接口通过杜邦线连接，电流传感器与第二调理电路通过杜邦线连接；第一调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARM Cortex‑M3微处理器内部的一个模数转换器输入口连接；第二调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARM Cortex‑M3微处理器内部的另一个模数转换器输入口连接；电压传感器接15V电源，电流传感器接+5V电源，第一调理电路接+5V电源，第二调理电路接+5V电源；ARM Cortex‑M3微处理器接+5V电源，ARM Cortex‑M3微处理器与TFT‑LCD显示屏通过8060总线连接；所述的第一调理电路，包括第一霍尔电压传感器U1、第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B、第三运算放大器U2C、第四运算放大器U2D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1和第二二极管D2；第一霍尔电压传感器U1的型号为CHV—25P；第一电阻R1一端与电压传感器的输入端In+相连，另一端与霍尔电压传感器U1的1脚相连，电压传感器的输出端In‑与霍尔电压传感器U1的2脚相连，霍尔电压传感器U1的3脚与15V电源的负极相连，霍尔电压传感器U1的4脚与15V电源的正极相连，霍尔电压传感器U1的5脚与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与地相连；第三电阻R3的一端与霍尔电压传感器U1的5脚相连，另一端与第一运算放大器U2A的正向输入端相连，第一运算放大器U2A的反向输入端与输出端相连，第一运算放大器U2A的正电源端与+15V电源相连，第一运算放大器U2A的负电源端与‑15V电源相连，第一运算放大器U2A的输出端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第一电容C1的一端与第四电阻R4的另一端相连，第一电容C1的另一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第二电容C2的一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第二电容C2的另一端与地相连，第二运算放大器U2B的反向输入端与第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端相连，第六电阻R6的另一端与地相连，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器U2B的7端相连，第二运算放大器U2B的正电源端与+15V电源相连，第二运算放大器U2B的负电源端与‑15V电源相连，第八电阻R8的一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第八电阻R8的另一端与第三运算放大器U2C的反向输入端、第9电阻R9的一端、第十一电阻R11的一端相连，第九电阻R9的另一端与+5V电源相连，第三运算放大器U2C的正向输入端与第十电阻R10的一端相连，第十电阻R10的另一端与地相连，第十一电阻R11的另一端与第三运算放大器U2C的输出端、第十二电阻R12的一端相连，第三运算放大器U2C的正电源端与+15V电源相连，第三运算放大器U2C的的负电源端与‑15V电源相连，第十二电阻R12的另一端与第四运算放大器U2D的反向输入端、第十四电阻R14的一端相连，第四运算放大器U2D的正向输入端与第十三电阻R13的一端相连，第十三电阻R13的另一端与地相连，第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器U2D的14端、第十五电阻R15的一端相连，第四运算放大器U2D的正电源端与+15V电源相连，第四运算放大器U2D的负电源端与‑15V电源相连，第十五电阻R15的另一端与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极连接并作为输出接口Out，第一二极管D1的阴极接+3.3V电源，第二二极管D2的阴极与地相连，经调理电路1调理之后的换能器电压输出接口Out与微处理器ARM Cortex‑M3内部模数转换器的一个输入接口相连；所述的第二调理电路2，包括第一霍尔电流传感器，第一电容C1，第一霍尔电流传感器型号为ACS712 ‑05B；第一霍尔电流传感器的1脚和2脚相连并与电流传感器的信号输入端连接，第一霍尔电流传感器的3端和4端相连并与电流传感器的信号输出端连接，第一霍尔电流传感器的5脚端与+5V电源相连，第一霍尔电流传感器的6脚与微处理器ARM Cortex‑M3内部模数转换器的另一个输入接口相连，第一霍尔电流传感器的7脚与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与第一霍尔电流传感器的8脚连接并接地。...
【技术特征摘要】
1. 一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置，该装置包括测量换能器电压的电压传感器、测量换能器电流的电流传感器、第一调理电路、第二调理电路、ARM Cortex-M3微处理器和TFT-LCD显示单元；
其特征在于：电压传感器与第一调理电路信号输入接口通过杜邦线连接，电流传感器与第二调理电路通过杜邦线连接；第一调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARM Cortex-M3微处理器内部的一个模数转换器输入口连接；第二调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARM Cortex-M3微处理器内部的另一个模数转换器输入口连接；电压传感器接 15V电源，电流传感器接+5V电源，第一调理电路接+5V电源，第二调理电路接+5V电源；ARM Cortex-M3微处理器接+5V电源，ARM Cortex-M3微处理器与TFT-LCD显示屏通过8060总线连接；
所述的第一调理电路，包括第一霍尔电压传感器U1、第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B、第三运算放大器U2C、第四运算放大器U2D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1和第二二极管D2；第一霍尔电压传感器U1的型号为CHV—25P；
第一电阻R1一端与电压传感器的输入端In+相连，另一端与霍尔电压传感器U1的1脚相连，电压传感器的输出端In-与霍尔电压传感器U1的2脚相连，霍尔电压传感器U1的3脚与15V电源的负极相连，霍尔电压传感器U1的4脚与15V电源的正极相连，霍尔电压传感器U1的5脚与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与地相连；第三电阻R3的一端与霍尔电压传感器U1的5脚相连，另一端与第一运算放大器U2A的正向输入端相连，第一运算放大器U2A的反向输入端与输出端相连，第一运算放大器U2A的正电源端与+15V电源相连，第一运算放大器U2A的负电源端与-15V电源相连，第一运算放大器U2A的输出端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第一电容C1的...
【专利技术属性】
技术研发人员：纪华伟，李旭龙，胡小平，叶红仙，赵志磊，董昕頔，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33
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