激光零差技术校准高频水听器反馈系统的研究

,激光零差技术校准高频水听器反馈系统的研究,答辩学生：指导教师：,毕业设计答辩,目录,高频水听器是用于测量高频水声声压的换能器,广泛应用于超声声场特性测量、医用超声设备的安全评价中。,一、课题背景及研究意义,超声探头声场特性测量,医用B超设备的安全评定,高频水听器,国际上对高频水听器常用的校准方法：主要难点：实验中待测薄膜位于水槽的水中，由于薄膜的振动，会导致水的振动，会对整个高频信号引入低频噪声，最终高频信号会载波在低频信号上，不可以通过简单的滤波来抑制低频信号对高频信号幅值的影响，会影响实际有效信号的检测。因此，综上所述，本课题主要的设计目标就是通过设计激光零差技术校准高频水听器反馈系统，来补偿水中的低频噪声，实现稳定有效信号的采集。,一、课题背景及研究意义,二、系统方案设计及实现,1激光干涉的光路设计,2反馈系统电路设计,二、系统方案设计及实现,5,1、激光干涉的光路设计,迈克尔逊干涉仪是光学干涉仪中最常见的一种。迈克耳逊干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光在G1发生干涉。,二、系统方案设计及实现,1、激光干涉的光路设计,利用迈克尔逊干涉仪原理来进行校准水听器时，使原先的两个光臂的反射镜片，分别替换为待测振动的薄膜、安装在作为反馈补偿的PZT激振器前端的振动镜片。,二、中期课题研究成果,5,二、系统方案设计及实现,5,1、激光干涉的光路搭建,实际搭建好的干涉仪如下：,二、系统方案设计及实现,5,1、激光干涉的光路搭建,工作时的干涉仪如下：,二、系统方案设计及实现,1、反馈系统电路总体设计,二、系统方案设计及实现,反馈结构图,二、系统方案设计及实现,光电转换电路模块,光电转换电路：选取R1和R2的电阻值为1k，利用CLC425芯片采取正负5V的双电源供电，同时光电管要调节合适的雪崩电压，反偏加载在光电二级管上。,二、系统方案设计及实现,PD反馈控制模块,Sallen-key型低通滤波器截止频率10KHz,理想的积分电路：通常的积分器电路会在电阻R1之前，串联接入一个较大的电容，用于去除前面信号的直流分量，在C2处并联一个较大的电阻，用于加快电容充放电，去除由于积分特性所给输出信号带来的直流分量,二、系统方案设计及实现,PD反馈控制模块,此处的第一级放大主要是放大作用，将积分作用处理完的信号放到一定倍数，通过滑动变阻器1可以对放大倍数进行调节。图中所示的第二级放大电路，利用CLC103芯片，主要作用是功率放大输出，它的19管脚通过查阅其芯片手册可以得到它有200mA的电流驱动能力,二、系统方案设计及实现,积分复位电路模块,D触发器构成一个单稳态触发器，这样这样可以可以为电容提供足够的放电时间，改变R和C的值，即可调整放电时间的长短，从而保证电容充分放电，保障系统的稳定运行,窗口检测电路当UUH时，输出为高电平当ULUUH时，输出为零电平,二、系统方案设计及实现,信号检测处理模块,sallen-key型高通滤波器截止频率在100KHz,高频信号放大电路，电路中的放大器芯片的选择，要根据实际的放大倍数，选取合适增益带宽积的宽带宽芯片,二、系统方案设计及实现,5,2、硬件电路的设计制作,通过学习PROTEL99SE软件，掌握了基本的绘制PCB电路板的方法，主要设计制作了三块PCB板，包括：光电转换电路板、积分反馈电路板、积分复位电路版，主要功能简介如下：光电转换电路板：将光信号转换成电信号，提取补偿后的高频信号积分反馈电路板：即PD反馈控制电路的实体制版积分复位电路板：即积分器复位电路模块的实体制版,二、系统方案设计及实现,5,2、硬件电路的设计制作,光电转换电路板：,二、系统方案设计及实现,5,2、硬件电路的设计制作,光电转换电路板：,二、系统方案设计及实现,5,2、硬件电路的设计制作,积分反馈电路板：,二、系统方案设计及实现,5,2、硬件电路的设计制作,积分反馈电路板：,二、系统方案设计及实现,5,2、硬件电路的设计制作,积分复位电路板：,二、系统方案设计及实现,5,2、硬件电路的设计制作,积分复位电路板：,二、系统方案设计及实现,5,2、硬件电路的设计制作,二、系统方案设计及实现,5,2、硬件电路的设计制作,二、系统方案设计及实现,3、整体平台搭建,1、整体实验装置安置质量较大在光学实验平台上，以避免实际环境当中的振动对实验结果的影响。2、图中左边是利用光学器件搭建的迈克尔逊干涉仪，通过平台上的螺孔和强磁支座，牢牢地固定在实验平台上，避免干扰影响实际测量。,三、实验结果及分析,1、高频信号干涉光光电转换后的多普勒信号,三、实验结果及分析,2、整体平台运行后得到的关于低频噪声的多普勒信号,三、实验结果及分析,1、整体平台运行后得到的关于低频噪声的多普勒信号,由于整个实验系统中待检测的薄膜位于水槽之中，薄膜振动时会导致水的的振动，同时环境中的低频噪声会导致水的微弱振动，两者同时作用，会对输出信号产生一个低频信号，此低频信号应该近似为正弦信号，系统在特定频率工作下受到的低频噪声范围实测约为10Hz-2KHz，作用在薄膜上，经迈克尔逊干涉仪测量噪声对薄膜的振动影响，可以得到的低频多普勒信号。由于干涉仪中沃拉斯顿双棱镜的作用，两束干涉光相位相差180度，经由光电转换电路后，呈现如图所示波形，两者信号做差分处理之后，先经过低通滤波器，经由积分放大环节，将反馈信号加载到PZT激振器上，对低频噪声进行反馈补偿。,三、实验结果及分析,2、反馈控制较为理想的补偿信号,三、实验结果及分析,2、反馈控制较为理想的补偿信号,补偿后的效果图中可以看到，补偿中信号不全是平行的直线，主要是因为补偿过程中积分作用对于多普勒信号的疏密信号的放大倍数是不同的，反馈信号的幅值针对不同频率是不同的，所以在补