一種無線數(shù)字頻率式cmut聲發(fā)射傳感器系統(tǒng)及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲發(fā)射檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種無線數(shù)字頻率式CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,電容微加工超聲傳感器）聲發(fā)射傳感器電路及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生變化或承載時(shí)，多數(shù)材料或結(jié)構(gòu)會(huì)以應(yīng)力波（聲發(fā)射）的 形式釋放能量，這種應(yīng)力波反映了材料破壞過程中的一些物理特性，與裂紋的產(chǎn)生、塑性變 形等有關(guān)。因此，材料在外力或內(nèi)力作用下，內(nèi)部產(chǎn)生彈性變形時(shí)，快速釋放能量而產(chǎn)生瞬 態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。
[0003] 采用檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的方法，可以判斷材料或結(jié)構(gòu)的某種狀態(tài)。用儀器檢測(cè)、記 錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。聲發(fā)射 檢測(cè)技術(shù)具有整體性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性等特性，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到缺陷的萌生、擴(kuò)展過程，還能 及時(shí)檢測(cè)到缺陷及其位置，這在無損檢測(cè)中是至關(guān)重要的。也正因?yàn)槿绱耍梢栽诮Y(jié)構(gòu)未產(chǎn) 生破壞前就對(duì)其進(jìn)行修理或更換。因此，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)具有重要的社會(huì)意義和經(jīng) 濟(jì)價(jià)值，可以廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、交通、建筑的檢測(cè)中。
[0004] 聲發(fā)射傳感器是放置在材料或結(jié)構(gòu)的表面的裝置，用于接收材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲 發(fā)射信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再發(fā)送給信號(hào)處理分析儀器進(jìn)行分析，是連接結(jié)構(gòu)與分析 儀器之間的橋梁。選擇合適的傳感器對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)具有重要的意義，直接影響到檢測(cè)精度。 選擇傳感器需要考慮傳感器的頻率帶寬、靈敏度、功耗等諸多因素。
[0005] 聲發(fā)射傳感器有壓電傳感器和電容傳感器等，電容傳感器可以測(cè)量nm級(jí)的位移 量，且具有較好的頻率響應(yīng)帶寬，但目前的電容傳感器檢測(cè)電容的電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲取的 精度較低，限制了其實(shí)際應(yīng)用中的推廣?，F(xiàn)有的聲發(fā)射傳感器多是基于壓電效應(yīng)的壓電傳 感器，存在以下一些問題：
[0006] 第一，現(xiàn)有的聲發(fā)射傳感器多數(shù)基于壓電材料制作，靈敏度低、尺寸大。壓電材料 本身多為陶瓷結(jié)構(gòu)，多半較硬較脆，靈敏度低，同時(shí)加大了尺寸設(shè)計(jì)及加工的難度。同時(shí)，如 果將尺寸減小，則靈敏度進(jìn)一步降低，難以達(dá)到較大的動(dòng)態(tài)范圍。
[0007] 第二，現(xiàn)有的聲發(fā)射傳感器通過電路輸出電壓信號(hào)，以電壓幅度信息來表征聲發(fā) 射，檢測(cè)精度低。從Cramer-Rao Bound(CRB)參數(shù)估計(jì)理論來看，信號(hào)的頻率能提供更為 精確的信息。Cramer-Rao Bound參數(shù)估計(jì)理論中揭示了信號(hào)的三要素：頻率、幅度、相位的 估計(jì)中，頻率的相對(duì)估計(jì)精度最高，與樣點(diǎn)數(shù)的立方成正比（即如公式（1)所示，估計(jì)誤差 與樣點(diǎn)數(shù)的立方成反比），而幅度和相位的相對(duì)估計(jì)精度與樣點(diǎn)數(shù)成正比，如果采樣率足夠 高，頻率參數(shù)估計(jì)的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于幅度和相位。具體來說實(shí)信號(hào)頻率ω的估計(jì)誤差是
[0009] 其中γ為信噪比，Μ為采樣點(diǎn)數(shù)。幅度Α的估計(jì)誤差為
[0011] 其中 < 為噪聲功率。相位#的估計(jì)誤差為
[0013] 根據(jù)上述理論，如果能通過頻率參數(shù)來攜帶聲壓信息，則可以提高檢測(cè)的精度。
[0014] 第三，現(xiàn)有的聲發(fā)射傳感器輸出的是模擬信號(hào)，易于受到環(huán)境噪聲影響，抗噪聲性 能不佳。
[0015] 第四，現(xiàn)有的聲發(fā)射傳感器通過有線的方式與后端的信號(hào)處理儀器相連，缺乏使 用的靈活性。在聲發(fā)射檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，需要許多電纜將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖说奶幚?器，其連接非常繁雜和不便。另外，工作人員需要在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，與被檢測(cè)物體處于較近的距 離。如果是對(duì)油氣管道、壓力容器等特種危險(xiǎn)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員的操作危險(xiǎn)又繁 瑣。如果能通過無線的方式，將采集與處理分開，如同無線鼠標(biāo)的操作端與接收端一樣，將 前端的數(shù)據(jù)通過無線連接傳輸給后臺(tái)，將會(huì)給使用者帶來便利。
[0016] 第五、現(xiàn)有的聲發(fā)射傳感器帶寬窄?，F(xiàn)存壓電換能器有窄帶和寬帶兩類。窄帶傳 感器通過檢測(cè)諧振電路的模擬輸出來得到檢測(cè)結(jié)果，雖然精度高，但是頻帶極窄。而寬帶傳 感器頻帶比窄帶傳感器寬，例如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局制作的錐形聲發(fā)射帶寬是50k-1000k，但是 其靈敏度較低。聲發(fā)射的傳播過程是從聲發(fā)射源開始，通過整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳播的非定向波。 典型的聲發(fā)射波的頻率范圍是1ΚΗζ-2ΜΗζ或更高。因此為了能夠更好地檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)， 傳感器需要工作在一個(gè)較寬的頻帶上。
[0017] 總之，現(xiàn)有的聲發(fā)射傳感器具有靈敏度和檢測(cè)精度不高、抗噪聲性能不好、使用不 夠靈活、帶寬不夠?qū)挼葐栴}。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 為克服現(xiàn)有聲發(fā)射傳感器靈敏度和檢測(cè)精度不高、抗噪聲性能不好、使用不夠靈 活、帶寬不夠?qū)挼葐栴}，本發(fā)明提出一種無線數(shù)字頻率式CMUT聲發(fā)射傳感器系統(tǒng)及其工作 方法。
[0019] CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,電容微加工超聲傳 感器）是微型化的平板電容，底部極板固定，頂部極板是薄膜，可以發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)接收到聲 壓信號(hào)時(shí)，薄膜振動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將聲壓轉(zhuǎn)換為CMUT的電容特性。如果能檢測(cè)出電容特 性則可以反推出聲壓特性。根據(jù)參數(shù)估計(jì)理論，如果將電容特性攜帶于信號(hào)的頻率信息中， 通過頻率的估計(jì)來實(shí)現(xiàn)電容特性的估計(jì)，可以大幅提升估計(jì)的精度。另外，如果能將CMUT 的聲壓-電容-頻率的轉(zhuǎn)換與頻率-電容-聲壓的反演過程分為兩部分電路來實(shí)現(xiàn)，前端 只需實(shí)現(xiàn)聲壓-電容-頻率的信息采集與轉(zhuǎn)換，后端實(shí)現(xiàn)頻率-電容-聲壓的估計(jì)并輸出 給用戶的后端處理器，則能夠大幅提升系統(tǒng)的使用靈活性。因此，本發(fā)明的目的在于，基于 上述原理，提出一種無線數(shù)字頻率式CMUT聲發(fā)射傳感器電路及系統(tǒng)。
[0020] 本發(fā)明的一種無線數(shù)字頻率式CMUT聲發(fā)射傳感器系統(tǒng)中，將CMUT放置于材料或 結(jié)構(gòu)的表面，用于接收聲發(fā)射信號(hào)，將聲發(fā)射特性轉(zhuǎn)換為CMUT的電容特性。將CMUT與標(biāo)準(zhǔn) 電感組成諧振檢測(cè)電路，在諧振檢測(cè)電路的輸入端輸入寬頻檢測(cè)信號(hào)，通過諧振檢測(cè)電路 輸出諧振信號(hào)，CMUT的電容特性包含在諧振信號(hào)的頻率特性中。將該諧振信號(hào)數(shù)字化，并 通過高速、低功耗無線通信技術(shù)發(fā)送到接收端，在接收端得到諧振檢測(cè)電路的頻率響應(yīng)，再 利用逼近CRB理論極限界的快速高精度頻率估計(jì)算法提取諧振頻率，以諧振檢測(cè)電路的頻 率響應(yīng)和諧振頻率表征聲壓特性。
[0021] 所述的無線數(shù)字頻率式CMUT聲發(fā)射傳感器系統(tǒng)，包含采集端和接收端。采集端與 接收端之間以高速、低功耗的無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。
[0022] 進(jìn)一步實(shí)施地，所述采集端是直接安置在聲發(fā)射結(jié)構(gòu)上，用于采集聲發(fā)射信號(hào)的 裝置。采集端包含數(shù)據(jù)調(diào)理模塊、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大器、諧振檢測(cè)電路、放大器、A/D轉(zhuǎn)換 器、無線通信模塊和電源。數(shù)據(jù)調(diào)理模塊與D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大器、諧振檢測(cè)電路依次相 連，諧振檢測(cè)電路與放大器、A/D轉(zhuǎn)換器依次相連，A/D轉(zhuǎn)換器再與數(shù)據(jù)調(diào)理模塊相連，數(shù)據(jù) 調(diào)理模塊又與無線通信模塊相連。
[0023] 進(jìn)一步實(shí)施地，所述的數(shù)據(jù)調(diào)理模塊包含控制單元和存儲(chǔ)單元，控制單元用于對(duì) 采集端的各個(gè)模塊進(jìn)行控制，而存儲(chǔ)單元?jiǎng)t用于存儲(chǔ)數(shù)字寬頻檢測(cè)信號(hào)。所述的數(shù)字寬頻 檢測(cè)信號(hào)的頻帶應(yīng)覆蓋聲發(fā)射檢測(cè)所需的頻帶，可以采用線性調(diào)頻或者非線性調(diào)頻信號(hào)。 D/A轉(zhuǎn)換器用于將數(shù)字寬頻檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬寬頻檢測(cè)信號(hào)。功率放大器用于對(duì)模擬