花添雨，封維忠，孫成忠

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

基于AD8302的相位差法測(cè)聲速

花添雨，封維忠，孫成忠

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

對(duì)相位差法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的寬頻帶相位差測(cè)量系統(tǒng)由AD8302相位差測(cè)量芯片、運(yùn)放電路和MSP430單片機(jī)構(gòu)成，可以直接測(cè)量發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的相位差，實(shí)現(xiàn)了相位測(cè)量的數(shù)字化，提高了聲速的測(cè)量精度.

聲速；相位差；AD8302；MSP430；李薩如圖形

聲速是聲學(xué)研究的重要的基本參量，通過(guò)聲速測(cè)量，可以間接測(cè)量材料的切變模量、彈性模量和密度等參量[1]，聲速測(cè)量被廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域，在其他學(xué)科中也有許多應(yīng)用. 聲速的測(cè)量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容，常用方法有：共振法、相位法和時(shí)差法. 傳統(tǒng)相位差法測(cè)聲速采用示波器觀察發(fā)射波與接收信號(hào)垂直振動(dòng)合成的李薩如圖形來(lái)確定相位差. 本文采用AD8302單片寬頻帶相位差測(cè)量系統(tǒng)，直接測(cè)量出發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的相位差，實(shí)現(xiàn)了相位測(cè)量的數(shù)字化，從而提高了聲速的測(cè)量精度.

1 李薩如圖形法實(shí)驗(yàn)原理

聲波的傳播速度v與聲波頻率f和波長(zhǎng)λ的關(guān)系為

v=fλ.

測(cè)量出聲波的頻率與波長(zhǎng)，就可以計(jì)算出聲速[2]. 由聲波的波源發(fā)出的具有固定頻率的聲波在空間形成聲場(chǎng)，聲場(chǎng)中任一點(diǎn)的振動(dòng)相位與聲源振動(dòng)相位之差為

在示波器上可以觀測(cè)到發(fā)射波與接收信號(hào)的垂直振動(dòng)合成的李薩如圖形[3]. 若發(fā)射波和接收波的信號(hào)為

x=A1cos (ωt+θ1) ,

y=A2cos (ωt+θ2) ,

則該李薩如圖形即合振動(dòng)方程為

相位差θ=θ2-θ1從0變?yōu)棣袝r(shí)，李薩如圖形會(huì)依次按圖1所示變化. 由于超聲發(fā)射器發(fā)出的是近似于平面波的聲波，當(dāng)接收器端面垂直于波的傳播方向時(shí)，其端面上各點(diǎn)都具有相同的相位. 沿傳播方向移動(dòng)接收器時(shí)，總可以找到接收到的信號(hào)與發(fā)射器激勵(lì)信號(hào)同相的位置. 繼續(xù)移動(dòng)接收器，直到接收的信號(hào)再次和發(fā)射器的激勵(lì)信號(hào)同相時(shí)，移動(dòng)的距離必然等于聲波的波長(zhǎng).

圖1 用李薩如圖形觀察相位變化

2 優(yōu)化方案

2.1 基于AD8302的相位差法測(cè)聲速原理

相位差法測(cè)聲速實(shí)驗(yàn)中，使用示波器觀察李薩如圖形時(shí)人為誤差無(wú)法控制，因此，本文提出了另一種測(cè)量聲速的方法，如圖2所示. 由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)和經(jīng)過(guò)換能器[4]接收的信號(hào)分別被送入AD8302相位差測(cè)量模塊，AD8302輸出與兩信號(hào)相位差成反比的電壓信號(hào)，經(jīng)MSP430單片機(jī)采集模擬電壓信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化[5]，同時(shí)，溫度模塊采集到的溫度也送入單片機(jī)，以便進(jìn)行溫度補(bǔ)償，1602液晶屏上同時(shí)顯示兩信號(hào)的相位差數(shù)值和空氣的溫度值. 當(dāng)改變發(fā)射器和接收器之間的距離時(shí)，相位差也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)相位差由某特定值經(jīng)過(guò)變化后再回到該特定值，移動(dòng)的距離就是波長(zhǎng)或者是半波長(zhǎng). 在數(shù)顯尺上讀出波長(zhǎng)或半波長(zhǎng)的數(shù)值和數(shù)字信號(hào)發(fā)生器顯示的頻率值，即可計(jì)算聲速值[6].

圖2 基于AD8302的相位差法測(cè)聲速原理框圖

2.2 AD8302相位差檢測(cè)模塊原理

AD8302是美國(guó)ADI公司推出的單片寬頻帶相位差測(cè)量芯片. AD8302內(nèi)部電路框圖如圖3所示，包含2個(gè)精密匹配的寬帶對(duì)數(shù)放大器、1個(gè)寬帶相位檢測(cè)器、1.8 V精密基準(zhǔn)源，以及模擬標(biāo)定電路和接口電路，能測(cè)量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)2個(gè)輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差[7]. 輸入信號(hào)可以是單端信號(hào)，也可以是差分信號(hào). 由于2個(gè)精密匹配的對(duì)數(shù)放大器集成在1片芯片上，因此可將溫度漂移減至最低限度.

圖3 AD8302內(nèi)部電路框圖

AD8302測(cè)量相位差的范圍是0°～180°，理論所對(duì)應(yīng)的輸出電壓范圍為0～1.8 V，輸出電壓靈敏度為10 mV/(°)，測(cè)量誤差小于0.5°. 當(dāng)相位差θ=0°時(shí)，輸出電壓為1.8 V；當(dāng)θ=180°時(shí)，輸出電壓為30 mV，輸出電流為8 mA. 相位輸出時(shí)轉(zhuǎn)換速率為30 MHz，響應(yīng)時(shí)間為40～500 ns(視被測(cè)相位差而定). AD8302的相位特性曲線(xiàn)如圖4所示.

圖4 AD8302相位特性曲線(xiàn)

由AD8302的相位特性曲線(xiàn)可知，在±180°內(nèi)，由輸出電壓無(wú)法區(qū)分相位差的正負(fù)，因此實(shí)際測(cè)量時(shí)需要注意，第2次變化到特定相位的距離才是λ. 特別地，在相位差為-90°和90°時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出的電壓均為900 mV，實(shí)際測(cè)量時(shí)，相位差-90°到90°變化時(shí)，實(shí)際測(cè)得的距離為λ/2.

AD8302有3種工作模式：測(cè)量模式、比較器模式和控制器模式[8]. 本文中使用AD8302的測(cè)量模式且只是測(cè)量相位差. AD8302測(cè)量模式接線(xiàn)圖如圖5所示.

2.3 放大電路

由于超聲換能器接收的信號(hào)比較弱，而且換能器的輸出阻抗很高，AD8302芯片無(wú)法正常工作，本文采用了以JFET場(chǎng)效應(yīng)管作為差分輸入級(jí)，高輸入阻抗的雙運(yùn)放LF353組成輸入放大電路，放大電路如圖6所示. 超聲換能器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)反相放大后信號(hào)送入由AD8302進(jìn)行相位差測(cè)量， MSP430單片機(jī)采集AD8302輸出的與兩輸入信號(hào)相位差成反比的模擬電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后在液晶顯示屏上顯示相位差值. 實(shí)際上，用相位差方法測(cè)定相位時(shí)，當(dāng)相位差計(jì)顯示數(shù)值為0°時(shí)，在這些位置上接收器端面上的聲波，由于換能器振動(dòng)的傳遞或放大電路的相移，實(shí)際上并不一定和聲源同相，而總有一定的相位差，但這對(duì)于實(shí)驗(yàn)中波長(zhǎng)的測(cè)量并無(wú)影響.

圖5 AD8302測(cè)量模式接線(xiàn)圖

圖6 放大電路原理圖

3 測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果如表1所示. 超聲波的頻率f=37.500 kHz,實(shí)驗(yàn)方法1為李薩如圖形相位差法測(cè)量聲速,實(shí)驗(yàn)方法2為基于AD8302的相位差法測(cè)量聲速,已知聲速在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下與溫度關(guān)系為

表1 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于AD8302的相位差法測(cè)聲速相較于通常的李薩如圖形相位差法測(cè)聲速，測(cè)量精度較高[9]，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的數(shù)字化. 而本方法還可以和單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)聲速的自動(dòng)測(cè)量.

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Sound speed measurement based on phase difference method and AD8302

HUA Tian-yu, FENG Wei-zhong, SUN Cheng-zhong

(College of Information Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

The method of measuring sound speed based on phase difference was improved. A wideband phase difference measurement system was constructed with AD8302, operational amplifier and MSP430 single chip computer. It could directly measure the phase difference between the emitted signal and the

signal. The digitization of phase measurement improved the measurement accuracy of sound velocity.

sound speed； phase difference； AD8302； MSP430； Lissojous curve

2016-08-30；修改日期：2016-10-12

花添雨(1993-)，女，江蘇如東人，南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院2015級(jí)碩士研究生,研究方向精密儀器及機(jī)械.

封維忠(1950-)，男，江蘇南京人，南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)及儀器.

O422.1

A

1005-4642(2017)08-0010-04