一种振动体机械品质因数的测量系统和测量方法技术方案

本发明专利技术属于机械品质因数测量技术领域，具体涉及一种测量振动体机械品质因数的方法和系统。用检测信号波驱动超声换能器激发振动体的振动，沿振动体轴向移动测振装置，测量振动体表面ΔZ微元间距多个质点的振动速度和相位，对振动体上测量质点的振动速度做空间傅里叶变换，得到波数空间内频谱，确定主波数k

【技术实现步骤摘要】
一种振动体机械品质因数的测量系统和测量方法
本专利技术属于机械品质因数测量
，具体涉及一种振动体机械品质因数的测量系统和测量方法。
技术介绍
超声元件由于具有结构简单、输出功率高、重量小、易于集成等优点，被广泛应用到超声电机、超声声源等设备中。如图1所示，超声元件包括超声换能器1和振动体4，超声换能器1包括压电陶瓷片11和固定设置在压电陶瓷片11上的换能振动体12，振动体4通过连接器2与换能振动体12固定连接，压电陶瓷片11和振动体4二者对超声元件性能具有重要影响。选择振动体4是超声元件设计中必须考虑的问题。为判断某种材料是否适合作为振动体4，需要明确该材料在大振幅条件下机械品质因数与振幅的关系。现有机械品质因数测量方法包括：(1)锤击法，该方法的实验装置和数据处理方法简单，但无法检测相位数据，外界环境对其方法影响很大，导致测量误差较大，且利用其方法无法定量判断机械品质因数和振幅的关系；(2)阻抗圆法，该方法通过测量共振频率和-3dB带宽确定机械品质因数，但该方法测量速度慢，测量步骤繁杂，且利用该方法无法排除激振材料和振动体间能量损耗对测量结果的影响，测量精度低；(3)脉冲波法，该方法通过检测脉冲波的衰减程度确定机械品质因数，但由于脉冲波能量低，利用其方法无法测量大振幅条件下机械品质因数。鉴于此，需要开发其他方法测量大振幅条件下机械品质因数和振幅的定量关系。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的对振动体机械品质因数的测量精度低，无法同时测量大振幅条件下振动体机械品质因数的缺陷，提供了一种能保证高测量精度的同时测量大振幅条件下振动体机械品质因数的系统和方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于,包括步骤：S1，用检测信号波驱动超声换能器(1)带动振动体(4)振动；S2，沿振动体(4)轴向移动测振装置(7)，测量振动体(4)表面ΔZ微元间距的多个质点的振动速度和相位；S3，对振动体(4)上测量的多个质点的振动速度做空间傅里叶变换，得到波数空间内频谱，并确定主波数k0；S4，利用公式，计算去除1.2k0以上波数；S5，通过傅里叶逆变换还原多个质点的振动速度在空间内的分布曲线；S6，假设所述微元的左端为A、正中为B和右端为C，其振动速度分别为VA、VB和VC，其相位分别为θA、θB和θC，计算所述微元的能量损耗ΔEd；S7，计算所述微元含有的无功能量ΔEr，其计算公式为：S8，计算所述微元机械品质因数Q，其计算公式为：S9，得出振动体(4)机械品质因数与振动体(4)振幅的对应关系；其中，k为波数，所述振动体(4)的材料密度为ρ，所述微元的横截面积为S，所述振动体(4)的材料杨氏模量为Y。进一步地，通过所述微元横截面LL和LR的有功能量Ein和Eout可由下式计算：在LL和LR之间产生的能量损耗为△Ed，其计算公式为：ΔEd＝Eout-Ein。进一步地，无功能量ΔEr还可以用下面公式计算：进一步地，所述检测信号波为正弦波信号。进一步地，所述微元长度选为波长的1/50。进一步地，包括信号源装置(5)，用于给振动体(4)提供检测信号；信号放大装置(6)，用于接收信号源装置(5)发出的检测信号，并将接收到的检测信号进行功率放大；测振装置(7)，用于测量振动体(4)表面微元的速度和相位；滤波装置(8)，用于筛选出所述测振装置(7)检测到的与所述信号源装置(5)发出的检测信号频率一致的信号；所述信号放大装置(6)与超声元件的超声换能器(1)电连接；所述测振装置(7)与所述滤波装置(8)电连接；所述信号放大装置(6)与所述滤波装置(8)电连接。进一步地，所述滤波装置(8)为锁相放大器或3阶以上巴特沃斯滤波器或4阶以上切贝雪夫滤波器。进一步地，所述锁相放大器的相位分辨率不低于0.1°。更进一步地，所述测振装置(7)为激光测振仪或激光位移传感器。本专利技术的一种测量振动体机械品质因数的方法的有益效果是：1、本专利技术采用滤波装置筛选出与信号发生器发出的检测信号一致的信号，不仅能测量出振动体的机械品质因数与振幅的关系。而且从原理上避免了连接器的能量损耗对测量结果的影响，保证了测量精度。采用先计算微元的机械品质因数推算整体振动体机械品质因数的方法，使整个计算过程简单，可进行大规模应用。2、本专利技术微元长度选为波长的1/50，在保证足够测量精度的条件下减小了测量点个数，提高了测量效率。3、本专利技术中将滤波装置的截止波数选为1.2k0，有效抑制了测振装置噪声对测量结果的不利影响，同时采用锁相放大器的相位分辨率不低于0.1°，进一步的保证测量的精度。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是现有技术中超声元件的结构示意图；图2是本专利技术实施例测量方法的流程图；图3是本专利技术实施例测量方法中的微元示意图；图4是本专利技术实施例测量系统在应用中的结构示意图；图5是本专利技术实施例测量的不锈钢机械品质因数与振幅的关系示意图。图中:1、超声换能器，11、压电陶瓷片，12、换能振动体，2、连接器，3、螺钉，4、振动体，5、信号源装置，6、信号放大装置，7、测振装置，8、滤波装置。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。振动体4的机械品质因数Q表示振动体4谐振时，因克服内摩擦而消耗的能量，是衡量材料性能的一个重要参数。如图2-图3所示的专利技术测量机械品质因数的方法为，包括步骤如下：S1，用检测信号波驱动超声换能器(1)带动振动体(4)振动。S2，沿振动体(4)轴向移动测振装置(7)，测量振动体(4)表面ΔZ微元间距的多个质点的振动速度和相位；其中微元长度选为波长的1/50，在保证足够测量精度的条件下减小了测量点个数，提高了测量效率。S3，对振动体(4)上测量的多个质点的振动速度做空间傅里叶变换，得到波数空间内频谱，并确定主波数k0。S4，利用公式，计算去除1.2k0以上波数；即对检测到的信号进行预处理，去除高频噪声，在滤波过程中截止波数为1.2k0，以减小高频成分对测量结果的不利影响；其中，k为波数。S5，通过傅里叶逆变换还原多个质点的振动速度在空间内的分布曲线。S6，假设所述微元的左端为A、正中为B和右端为C，其振动速度分别为VA、VB和VC，其相位分别为θA、θB和θC，计算所述微元的能量损耗ΔEd；如图2所示，通过横截面LL和LR的有功能量Ein和Eout可由下式计算：在LL和LR之间产生的能量损耗为ΔEd，计算公式为：ΔEd＝Eout-Ein其中，Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于,包括步骤：/nS1，用检测信号波驱动超声换能器(1)带动振动体(4)振动；/nS2，沿振动体(4)轴向移动测振装置(7)，测量振动体(4)表面ΔZ微元间距的多个质点的振动速度和相位；/nS3，对振动体(4)上测量的多个质点的振动速度做空间傅里叶变换，得到波数空间内频谱，并确定主波数k

【技术特征摘要】
1.一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于,包括步骤：
S1，用检测信号波驱动超声换能器(1)带动振动体(4)振动；
S2，沿振动体(4)轴向移动测振装置(7)，测量振动体(4)表面ΔZ微元间距的多个质点的振动速度和相位；
S3，对振动体(4)上测量的多个质点的振动速度做空间傅里叶变换，得到波数空间内频谱，并确定主波数k0；
S4，利用公式，计算去除1.2k0以上波数；
S5，通过傅里叶逆变换还原多个质点的振动速度在空间内的分布曲线；
S6，假设所述微元的左端为A、正中为B和右端为C，其振动速度分别为VA、VB和VC，其相位分别为θA、θB和θC，计算所述微元的能量损耗ΔEd；
S7，计算所述微元含有的无功能量ΔEr，其计算公式为：
S8，计算各微元机械品质因数Q，其计算公式为：



S9，得出振动体(4)机械品质因数与振动体(4)振幅的对应关系；
其中，k为波数，所述振动体(4)的材料密度为ρ，所述微元的横截面积为S，所述振动体(4)的材料杨氏模量为Y。


2.根据权利要求1所述的一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于：通过所述微元横截面LL和LR的有功能量分别为Ein和Eout可由下式计算：






在LL和LR之间产生的能量损耗为△Ed，其计算公式为：
ΔEd＝Eout-Ein。


3.根据权利要求1所述的一种测量振动体机械...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴疆，牛建业，阎佳艺，陈力，
申请(专利权)人：吴疆，
类型：发明
国别省市：辽宁;21