基于AD8302的相位差法测声速

花添雨，封维忠，孙成忠

(南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

基于AD8302的相位差法测声速

花添雨，封维忠，孙成忠

(南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

对相位差法测量声速实验进行了改进，改进后的宽频带相位差测量系统由AD8302相位差测量芯片、运放电路和MSP430单片机构成，可以直接测量发射信号与接收信号之间的相位差，实现了相位测量的数字化，提高了声速的测量精度.

声速；相位差；AD8302；MSP430；李萨如图形

声速是声学研究的重要的基本参量，通过声速测量，可以间接测量材料的切变模量、弹性模量和密度等参量[1]，声速测量被广泛应用于无损检测等领域，在其他学科中也有许多应用. 声速的测量是大学物理实验的重要内容，常用方法有：共振法、相位法和时差法. 传统相位差法测声速采用示波器观察发射波与接收信号垂直振动合成的李萨如图形来确定相位差. 本文采用AD8302单片宽频带相位差测量系统，直接测量出发射信号与接收信号之间的相位差，实现了相位测量的数字化，从而提高了声速的测量精度.

1 李萨如图形法实验原理

声波的传播速度v与声波频率f和波长λ的关系为

v=fλ.

测量出声波的频率与波长，就可以计算出声速[2]. 由声波的波源发出的具有固定频率的声波在空间形成声场，声场中任一点的振动相位与声源振动相位之差为

在示波器上可以观测到发射波与接收信号的垂直振动合成的李萨如图形[3]. 若发射波和接收波的信号为

x=A1cos (ωt+θ1) ,

y=A2cos (ωt+θ2) ,

则该李萨如图形即合振动方程为

相位差θ=θ2-θ1从0变为π时，李萨如图形会依次按图1所示变化. 由于超声发射器发出的是近似于平面波的声波，当接收器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位. 沿传播方向移动接收器时，总可以找到接收到的信号与发射器激励信号同相的位置. 继续移动接收器，直到接收的信号再次和发射器的激励信号同相时，移动的距离必然等于声波的波长.

图1 用李萨如图形观察相位变化

2 优化方案

2.1 基于AD8302的相位差法测声速原理

相位差法测声速实验中，使用示波器观察李萨如图形时人为误差无法控制，因此，本文提出了另一种测量声速的方法，如图2所示. 由信号发生器产生的激励信号和经过换能器[4]接收的信号分别被送入AD8302相位差测量模块，AD8302输出与两信号相位差成反比的电压信号，经MSP430单片机采集模拟电压信号并进行A/D转化[5]，同时，温度模块采集到的温度也送入单片机，以便进行温度补偿，1602液晶屏上同时显示两信号的相位差数值和空气的温度值. 当改变发射器和接收器之间的距离时，相位差也会发生变化，当相位差由某特定值经过变化后再回到该特定值，移动的距离就是波长或者是半波长. 在数显尺上读出波长或半波长的数值和数字信号发生器显示的频率值，即可计算声速值[6].

图2 基于AD8302的相位差法测声速原理框图

2.2 AD8302相位差检测模块原理

AD8302是美国ADI公司推出的单片宽频带相位差测量芯片. AD8302内部电路框图如图3所示，包含2个精密匹配的宽带对数放大器、1个宽带相位检测器、1.8 V精密基准源，以及模拟标定电路和接口电路，能测量从低频到2.7 GHz频率范围内2个输入信号之间的幅度比和相位差[7]. 输入信号可以是单端信号，也可以是差分信号. 由于2个精密匹配的对数放大器集成在1片芯片上，因此可将温度漂移减至最低限度.

图3 AD8302内部电路框图

AD8302测量相位差的范围是0°～180°，理论所对应的输出电压范围为0～1.8 V，输出电压灵敏度为10 mV/(°)，测量误差小于0.5°. 当相位差θ=0°时，输出电压为1.8 V；当θ=180°时，输出电压为30 mV，输出电流为8 mA. 相位输出时转换速率为30 MHz，响应时间为40～500 ns(视被测相位差而定). AD8302的相位特性曲线如图4所示.

图4 AD8302相位特性曲线

由AD8302的相位特性曲线可知，在±180°内，由输出电压无法区分相位差的正负，因此实际测量时需要注意，第2次变化到特定相位的距离才是λ. 特别地，在相位差为-90°和90°时，对应输出的电压均为900 mV，实际测量时，相位差-90°到90°变化时，实际测得的距离为λ/2.

AD8302有3种工作模式：测量模式、比较器模式和控制器模式[8]. 本文中使用AD8302的测量模式且只是测量相位差. AD8302测量模式接线图如图5所示.

2.3 放大电路

由于超声换能器接收的信号比较弱，而且换能器的输出阻抗很高，AD8302芯片无法正常工作，本文采用了以JFET场效应管作为差分输入级，高输入阻抗的双运放LF353组成输入放大电路，放大电路如图6所示. 超声换能器的输出信号经过两级反相放大后信号送入由AD8302进行相位差测量， MSP430单片机采集AD8302输出的与两输入信号相位差成反比的模拟电压，经A/D转换后在液晶显示屏上显示相位差值. 实际上，用相位差方法测定相位时，当相位差计显示数值为0°时，在这些位置上接收器端面上的声波，由于换能器振动的传递或放大电路的相移，实际上并不一定和声源同相，而总有一定的相位差，但这对于实验中波长的测量并无影响.

图5 AD8302测量模式接线图

图6 放大电路原理图

3 测量结果

测量结果如表1所示. 超声波的频率f=37.500 kHz,实验方法1为李萨如图形相位差法测量声速,实验方法2为基于AD8302的相位差法测量声速,已知声速在标准大气压下与温度关系为

表1 测试结果

4 结束语

实验结果表明，基于AD8302的相位差法测声速相较于通常的李萨如图形相位差法测声速，测量精度较高[9]，实现了测量结果的数字化. 而本方法还可以和单片机、步进电机相结合，实现声速的自动测量.

[1] 周印雷,赵明水,梁谦. 用声速法测定轧辊材料的弹性模量[J]. 无损检测,1994,16(12):347-350.

[2] 张旭德,李永涛,王秦君,等. 智能声速测量仪[J]. 物理实验,2014,34(6):19-21.

[3] 宋明秋. 李萨如图形及其应用[J]. 辽宁师专学报,2010,12(1):85-86.

[4] 林书玉. 超声技术的基石—超声换能器的原理及设计[J]. 物理，2009,38(3):141-148.

[5] 沈建华，杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2008:272-290.

[6] 程贞，陈高攀，喻志远，等. 基于相位差法的声速测量[J]. 物理通报,2013(11):79-80.

[7] 李星，许国宏，王耀磊. 高精度幅相检测系统的设计[J]. 电子设计工程,2012,20(1):123-125.

[8] 沙占友. 智能传感器系统设计与应用[M]. 北京：电子工业出版社,2004:169-179.

[9] 刘石劬. 声速测量及不确定度分析[J]. 大学物理实验,2013,26(4):99-103.

[责任编辑：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，江苏如东人，南京林业大学信息科学技术学院2015级硕士研究生,研究方向精密仪器及机械.

封维忠(1950-)，男，江苏南京人，南京林业大学信息科学技术学院教授，硕士，研究方向为计算机测控技术及仪器.

O422.1

A

1005-4642(2017)08-0010-04