基于DDS和DFT的水声换能器小信号阻抗测量

基于DDS和DFT的水声换能器小信号阻抗测量 ,,,,年 海军航空工程学院学报 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,(,, ,,(, 第,,卷第,期 文章编号:,,,,一,,,,(,,,,),,,,,,,,,,, 基于,,,和,,,的水声换能器小信号阻抗测量 杨成伟，苗康乐，杨日杰 (海军航窄丁程学院电子信息,二程系，山东烟台,,,,,,) 摘要:针对水声测量中换能器阻抗和功率放大器的匹配问，以及换能器老化状况诊断的实际问题，利用,,,(直接数字合成)和,,,(离散傅里叶变换)技术，研究了使用小信号下换能器在不同频率点上的频率响应情况，通过执行多次测量，确定换能器的幅频响应特性曲线，以此分析换能器的老化情况，同时可以对功率放大器输出匹配电路提供参考。通过相关原理分析，设计了阻抗测试电路并编写了测试软件，经调试，该电路在系统中工作正常，成功完成换能器在小信号下的复阻抗测量，并对影响换能器阻抗的相关因素做出——————————————————————————————————————————————— 了分析。关键词:直接数字合成;离散傅里叶变换;换能器;阻抗测量中图分类号:,,,,,(, 文献标志码:, 换能器具有复阻抗。这个阻抗由具体的换能器材料和结构决定，同时还受工作条件影响。换能器的阻抗是换能器输入复数电压和输入复数电流之比值。它不仅是换能器电路的性能参量，也是换能器的机械振动阻抗和声负载阻抗的。因此，不能把小信号下测得的阻抗也认为是大功率下的阻抗(也不能把脉冲信号状态下的测量结果认为是连续信号状态下的阻抗。测量换能器阻抗的目的和意义有,个:提供换能器和发射机之间的阻抗匹配数据;计算电声转换效率;分析机械振动特性和声辐射特性(得到换能器品质因数。本电路实现了一种小信号下的阻抗测试方法，该方法可以改造为大功率下的阻抗测试，具有较强的实用价值。 , 影响换能器阻抗的因素有很多【,,，但总体上电场能量耦合型换能器在正常工作情况下呈现容性阻抗(而磁场能量耦合型换能器在正常工作情况下呈现感性阻抗。因此，测量换能器阻抗的关键问题就是测量出在所需要测量的频率范围上换能器的输入复数电压与输入复数电流之比，不同点就是容性阻抗和感性阻抗在输入信号时电流超前或者滞后输入电压的相角。在工程上测量换能器阻抗可以采用电桥法【”，它是利用电桥平衡原理，用一个阻抗去等效所需要测量的阻抗(当两个阻抗相同(或者相差小于一定程度)时，电桥会达到——————————————————————————————————————————————— 平衡状态，它是一种间接测量的方式。采用,(,级准确度的电阻箱和电容箱的条件下，测量不确定度将不大于?,,。测 量示意图如图,所示: 常见换能器阻抗测试方法 常见换能器按换能原理分为电场能量耦合型和 , 磁场能量耦合型【,,，这两种换能器可以等效为两种电路类型，如图,所示: 卫; (——————(—(，— 图, ,,电场能瑗耦台氆 ， 待澳蚂,圭亢 图,电桥平衡法测量阻抗示意网 ,)磁场能最耦合,,( 两种类型换能器的简化等效电阻抗另外一种测量阻抗的方法是使用三电压法，如 收稿日期:,,,,(,,(,, 基金项目:航搴科学基金资助项目(,,,,,,,,)、“泰山学者”建设下程专项经费资助项目作者简介:杨成伟(,,,,一)。男，硕士生;杨日杰(,,,,一)，男，教授，博导，博士。 ——————————————————————————————————————————————— 万方数据 ?,,,? 海军航空工程学院擘报第,,卷 图,所示。由于换能器不会呈现纯容性或纯感性，因此需要间接测量电压相角和电流相角，在待测换能器上串联一个标准电阻(纯阻性，阻值已知)，然后测量出纯电阻上的电压有效值、待测换能器上的电压有效值以及纯电阻和换能器串联之后电路上的电压有效值，由于换能器不是纯阻性的，所以这三个电压构成一个三角形，由此可以求出相角，进一步得出阻抗。 纯 换 图,三电压法测毋换能器阻抗 若串接的电阻准确度优于?,,，电压幅度测量的不确定度不大于?,,，则本法在,,,,,,以下测量换能器阻抗模值的不确定度不大于?,,。其幅角的测量不确定度随幅度增大而减小，当幅角大于,,,时，测量不确定度不大于?,,，但是当幅角小于,,,时，幅角余弦值的测量不确定度约为?,,,。 在具体的工程实现时还有很多方法【,】’但是最基本的原理都是间接等效，或者间接测量,“信号的相角，进而得出阻抗。 本文介绍使用,,，公司阻抗转换器,,,,,,,引，该器件采用,,,和,,,相结合的方式，用,,,产生的信号来激励外部复阻抗，同时使用片上,,,芯片对外部复阻抗的响应进行采样，然——————————————————————————————————————————————— 后南,,,进行,,,处理【,,，,,,算法在每个频率点上得到一个实部数据字(尺)和一个虚部数据字(,『)，使用式(,)和式(,)很容易计算出各扫描频率点的阻抗幅值和相应的阻抗相位。 幅值,?,,,，，,; (,)相位,,,;,,,(,,尺)。 (,) ,总体设计 阻抗变换器需要经过校准才能进行有效的测量，校准过程需要将一个已知的阻抗连接在,,,和,,,,之间，然后计算增益系数(软件部分，计算方法见,,,,,,,,,)，测量的示意图如图,所示。 这里是小信号时的测量示意图，包括,,,产生功能、,,,采样、,,,通信、,,，显示测量显示结 万方数据 果，通过编程指定,,,的起始频率、扫描点数、步进频率、程序控制自动测量各个频率点的复阻抗，通过一系列点频的复阻抗测量之后，可以绘制出一条阻抗特性曲线。该结果供系统参考。 图,系统结构框图 ,电路设计 发射端(,,,,)上是带有直流偏置的交流激励电 压信号。接收端跨导放大器的输入引脚给,,,,的输出激励电压提供一个,,,,,的虚拟电压。冈此会有电流流经未知阻抗，并——————————————————————————————————————————————— 流人反馈引脚。该电流在跨导放大器的输出端转换为电压，跨导放大器输出电压之后的信号处理电路可以精确箅出该阻抗，当频率在,,,,与,,,,,,之间时，,,,,,,可以测量 ,,, ,到,,,,范围内的阻抗值，系统精度为,(,,。 测量示意图如图,所示，本系统中供电采用,(,, 单电源。 图, ,,,,,,测最示意图 ,(,硬件实现 硬件实现如图,所示，运放选用,,,,,,,,,，该 运放作支持单电源工作。,,,,,,的时钟为,,，使 ,有源品振。由于在不同的时钟频率下是扫频 的,,,,编程提供的一个特定频率时钟来实现扫频 。 测量。 用,测量的范闱不同，所以本电路的时钟端是由本系统 第,期杨成伟等:基,,,,和,,,的水声换能器小信号阻抗测量 ,,,( 图,阻抗测量电路原理冈 ,(,硬件设计考虑因素 ——————————————————————————————————————————————— 系统电压为,(,,，,,,,,,的输出激励电压值被设置为,,,(,，输出激励的直流偏置电压依据所选激励电压而设置，本电路中为,(,,。输出激励电压经运放构成的,,,,,,,电流源【,】，通过选择合适的外围元件，流过待测阻抗的电流将不依赖于负载阻抗而仅仅取决于输入电压幅度。典型的,,,,,,,电流源如图,所示: ,, ,。,,,,,电流源的输出电压固定为,?, ,。 ,软件算法及流程 ,,,,,,包含片内,,位,,,电路和,,,,点,,,，,,,计算方法如下: ,,,, ,(厂),?,(胛)(;,,(门),,,,,(月)))， ”,, (,) 式中:,(,)是信号在频率点厂的功率;,(,)是,,,采样值;;,,(,)、,,,(,)是由,,,提供的在频率点厂测试向量。这部分在,,,,,,片内完成。 单片机选用,,,,,,,,,,、,,,,,,,封装,,,，单片机通过,,;接口完成,,,,,,的初始化，设置测量参数，启动测量，读,,,测量数据，并将计算结果换算得到阻抗值，阻抗——————————————————————————————————————————————— 值通过串行口,,,显示到,,，(人机接口界面)【,，】。软件流 程图如图,所示。 ,,, , 图,典型的,,,,,,,电流源 由图,可知，运放的输出电压为: ,,鲁?，，,(彘,×(,，每)朋， 整理得: ,一,,予×?叶， 因此，流过,的电流为: (,) ?„,，，:,,,,,,志×?„(,) 由于采用,(,,单电源供电，,,,,,,内部偏置为,,,,,即,(,,，运放的偏置也为,(,,，因此 ,,臼 罡 图,软件流程图 万方数据 海,航空，杜擘,学报,,,, 待测阻抗为 ,:,,?耳羽， ,,，?,,水卢换能器厦基阵,,,北自目防，,,? ——————————————————————————————————————————————— (,, 瓿计,,,, ,,(，, 式中:,为涮最阻抗(,为增益系数，赢系数可缩程设置本文为,:,(，为删得的阻抗宴部和虚部。 ,,,群,,袁盘像缨荣拦等水卢计日?试拄术【,, 口水滨晴尔演,自大,～,,,,, ,,,,:,,,:,,, ,,，畅,姥晓东压电换能器阻抗,配研究，,,高自, ,结论 测量流程为:首先使用一十,翱精密阻抗代替要测量的未知阻抗进行标校;完成柱准龠(用来知复阻抗替换柱准阻抗、所,步厦自々铡量系统宴物见禹,(阿中嘲圈内的部分即为阻抗洲试部分罔,的左阿是整个系统的电路扳，舟,有罔是阻抗测量电路的放大罔，靠近该电路的是,,【的,,,,,电源，本,殳计经过,圊试最终祚系统中成功完成阻抗测量功能各项指标正常(,应用于某利涮试设备中: ,,, 技术,,,,,,,,,,, ,,，,,,,,,,,,,,;,,,,, ,,,,,, ,,,,,,?,,,,,,,,叽;,,,,,;,;, ,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,， ,,,,,,,,,,,, 【,,,,,,,—,,,,,,,;,,,?,?,,,, ，,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,;,,,,,,,,—,, ,,,何在修建娟雷达数据处理及应,？，,,,版北京: 电,，,,《,, ,,,,:,,,,，,, ,,, ,,,,，,,, ,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,。 (,,,,,,,,,,】,,,,:,,,,,咖，,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 麟黧 田,幕统寓物照, ,,,,,,,,,,,,,,?,,,,,,,』,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,, ,,， ,,,,,,,,,,, ,,她,,;肺,,，,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,, , ,,,,,,,,,,, ,,,,,明;; ,,,,,,,:,, ,,,,,,,,,,,，【,,,,,,,,,)【,,,,,,,,,,, 一?,,,, ,, ;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 【,】,,,;,公月,位,,,徽,理器异有,,,,宁节的系 境内?编程,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,;,,, ,,,，,,,,，(,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,:,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,, ,,？余建辈镑京军,;钒与单片桃,机通讯“法枉,: 参考文献: „?“旺水声”抗技术【,,“京海军,暖礼 ,,,,’,,,,,,, 程‘,,的?月?机眯々液压,,,,(,,,,,,(,,,【，,】,自?,志华辑能讯膏人机主互模块没计与生 理?】计算,,数字,，日,,,,,,(,,】,，,,(,,, ,,,,,,;,,,,;,,,,,;,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,—,,,，,，,,,,,,,，,，,,,, ,,,,,, ,,,,,，—,,,,,) ，, (,,,,,,,,,,,,,,;;,,,,,;,,,,,,,仃,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,【,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,: ,,,,,,,,,,,,,,,,“,,;,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,, ,,,,,, ,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,;,,,,,,;;,,,,,,,,;, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,;,,,,,;,,,;;, ,,,,,,,, ，,,,,,;, ,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,) ,,,,,,,,),,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,？,,,,,,,,,,,,,,？,,,;，,,,,,,,,？,,,;,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,？,,,;),;,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,,,„,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,;,,, ，,?,,,;,, ,,,,“,; ;,,;,,, ;,,,;, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,，,,,,,,,;;,,,,,, ,, „,,;，—, ;,,,;,,,,,,,;,,,，,,; ,,,,,,„,,,,,,,, ,,, ;,,;,,, ,,,,,,,,，,,, ,,,,,,, ,,,,„,;,,，,,,?;;;,,,,,,,,,,, ,,,—,,,,,,,?,;,,,„„,,„, ,,,,,,;;,,,,,,,,;, ,„,,,， ,,,?,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,, ,,,,,,,,,;, ,,,,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,,,;,,,,, , ,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,;,,;,,,,,,,; ,,，?,，,,,,,,,,,,,;,,,, ,;,,,„;,,„;,,,,,,,, ,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,，,,;, ,;,,,,,,,;,„„„, 万方数据 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年，卷(期):杨成伟， 苗康乐， 杨日杰， YANG Cheng-wei， MIAO Kang-le， YANG Ri-jie海军航空工程学院电子信息工程系,山东烟台,264001海军航空工程学院学报JOURNAL OF NAVAL AERONAUTICAL ENGINEERING INSTITUTE2011,26(2) ——————————————————————————————————————————————— 本文链接: ———————————————————————————————————————————————