超低频振动传感器的超声相位检测方法及FPGA实现

摘要

超低频振动是一种常见的物理现象，矿井井架、井塔、高层建筑物、铁路公路桥梁、水坝的振动、地壳震动都属此类。这类振动具有振动频率很低，1Hz以下频率成份极丰富、振幅大、破坏力较强等特点。在工程技术领域，超低频振动的测试与研究一直受到高度重视。而本课题设计的一种超低频振动传感器可实现超低频振动测量，具有重要意义。　　本文设计的超低频地震检波器基于超声波相位法。整个检波器由外壳、弹簧振子结构、以及超声波探头等组成。其主要原理是将振波耦合至质量块发生谐振，通过检测质量块振动过程中的位移变化规律反推目标振动信息。质量块的位移检测则通过测算超声波收发传感器的实时相位差得出。　　为了解决温度变化导致超声波波长变化对超声波测量结果的影响，系统采用差动式结构。本文提出了一种基于FPGA的超声波信号与采样信号同时钟源的采样电路设想以实现整周期的信号采样。针对由于振动速度存在导致超声波接收传感器信号变形，本文使用一种基于相邻信号加减的相位算法，并通过仿真方法对算法进行了验证，仿真结果表明算法自身误差并没有对测量结果精度造成影响。最后，通过实验得出传感器频响特性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 振动测量概述

1．2 研究背景和问题提出

1．3 国内外超低频振动传感器的研究现状

1．3．1 磁电式超低频振动传感器

1．3．2 电化学式超低频检波器

1．3．3 超低频绝对振动光纤速度传感器

1．3．4 超低频激光干涉法振动幅相特性测量技术

1．3．5 压电式超低频地震传感器

1．3．6 MEMS型传感器

1．4 超低频振动传感器的选用原则

1．5 本课题主要研究内容

2 差动超声波超低频振动传感器的系统构建

2．1 超低频振动检波器设计

2．2 超声波相位差测量算法

2．2．1 相位差测量方法

2．2．2 算法原理

2．2．3 采样数据分类

2．2．4 采样数据移相

2．3 数据采集电路和超声波信号发生电路设计及上位机程序设计

2．3．1 采样频率的设定以及AD芯片的选择

2．3．2 采样电路基本要求和流程

2．3．3 采样电路逻辑时序设计

2．3．4 上位机程序设计

2．4 实验平台构建

3 数据处理与算法分析

3．1 多普勒效应推导

3．2 超声波接收传感器数学模型推导

3．3 振动位移测量误差分析

3．3．1 信噪比对于测量误差的影响

3．3．2 信号幅值对于测量误差的影响

3．3．3 不同超声波频率对测量结果的影响

3．4 采用差动式结构实现修正温度的超声波波长的影响

4 仿真与实验

4．1 仿真实验

4．2 传感器频率特性实验

4．3 超声波地震传感器与传统检波器比较

5 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况