CN103389498A - 一种相位比较式超声波距离测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相位比较式超声波距离测量装置，包括：发射探头、接收探头、超声探头驱动电路、信号滤波器、放大电路、积分器、乘法器、低通滤波器以及信号处理电路；所述的信号处理电路与超声探头驱动电路相连接，超声探头驱动电路与发射探头相连接；所述的接收探头、信号滤波器、放大电路、积分器、乘法器、低通滤波器以及信号处理电路依次相连接；将发射探头的发射信号和接收探头的接收信号经乘法器和低通滤波器处理后送至给信号处理电路，并通过信号处理电路的中央处理器的计算后得到测试距离。通过本方案减小了环境因素的影响系数，使测量精度可以达到1μm，同时成本低，适用范围广，安全可靠。

Description

一种相位比较式超声波距离测量装置

技术领域

本发明涉及一种相位比较式超声波距离测量装置，具体涉及一种超声波传感器的高精距离测量技术。

背景技术

利用光学、电磁波、磁场强度等的原理是进行高精距离测量的通常手段。然而采用这些方法进行高精距离测量通常需要昂贵的测量探头以及强大的信号处理单元，这样就会使得测量装置的造价昂贵，而无法在工业领域被普及应用。超声波技术是一种廉价的测量手段，超声波的显著特征是频率高、波长短、绕射现象小，方向性好，并且在传播时遇到杂质或分界面就会有显著的反射。

超声波在空气中传播时的传播速度会根据空气环境的密度、湿度、温度等而表现不同，通常温度对其影响较大。15℃时超声波在空气中的传播速度为340米/秒，根据计算，其测量频率大致为40KHz，相对应的波长约为8.5mm，这就决定了通常意义的超声波测距产品精度只能控制在毫米范围，同时由于温度的影响，还会存在0.2-0.5mm的精度误差。这样的误差范围在很多情况下，对于工业生产领域是无法接受的。

一些超声波测量装置制造商在装置内加入了温度测量装置，这样通过温度校正可以减少温度对测量的影响，但仍然无法大幅提高超声测量装置的测量精度。因此超声波距离测量装置很少被用来进行高精密的测量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中因环境因素的影响，很难实现高精度的测量，提供一种相位比较式超声波距离测量装置，其装置的测量精度可以达到1μm，同时成本低，适用范围广，安全可靠。

一种相位比较式超声波距离测量装置，包括：发射探头、接收探头、超声探头驱动电路、信号滤波器、放大电路、积分器、乘法器、低通滤波器以及信号处理电路；所述的信号处理电路与超声探头驱动电路相连接，超声探头驱动电路与发射探头相连接，信号处理电路的输出信号经超声探头驱动电路的处理输入给发射探头；所述的接收探头、信号滤波器、放大电路、积分器、乘法器、低通滤波器以及信号处理电路依次相连接；信号处理电路的输出端与乘法器的输入端相连接；将发射探头的发射信号和接收探头的接收信号经乘法器和低通滤波器处理后送至给信号处理电路，并通过信号处理电路的中央处理器的计算后得到测试距离。

进一步，所述的超声探头驱动电路包括数模转换和功率放大电路；

进一步，所述的信号处理电路包括模数转换器和中央处理器；

进一步，所述发射探头和所述的接收探头为工作频率为1MHz的电压式探头；

进一步，所述发射探头和所述的接收探头的端面配备声透镜。

有益效果：本方案通过对发射探头的发射信号和接收探头的回波信号的运算及处理，得到待测的距离，间接减小了环境因素的影响系数。又因发射探头和接收探头为工作频率为1MHz的电压式探头，可得到高达1μm的测距精度。

附图说明

图1为本发明的相位比较式超声波距离测量装置的方框图；

图2为超声波测距装置的原理示意图；

图3为发射波与接受波间相位差示意图；

图中1-发射探头，2-接收探头，3-1超声波发射波，3-2超声波回波，4-待测物反射面，5-信号处理器MCU，6-D/A转换器，7-功率放大器，8-信号滤波器，9-放大电路，10-积分器，11-乘法器，12-低通滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示为本发明的相位比较式超声波距离测量装置的方框图，该装置包括：高频超声波传感器A和高频超声波传感器B即发射探头1和接收探头2、硬件电路部分。硬件电路主要包括超声探头驱动电路、信号滤波器8、放大电路9、积分器10、乘法器11、低通滤波器12以及信号处理电路。其中，信号处理电路主要有模数转换器(A/D)13、中央处理器(MCU)5组成；所述发射探头1和接收探头2是压电式、其工作频率为1MHz，其中，探头端面配备声透镜，使得发散的超声波在19mm距离处汇聚成最小面。因此测量面的待测点与探头距离应保持在19mm上下；所述超声探头驱动电路包括数模转换(D/A)6和功率放大电路7，D/A转换器6用于将MCU5发出的数字正弦信号转换为模拟正弦信号(连续波信号)，功率放大电路(7)用于放大该正弦信号的功率，从而驱动发射探头1。信号滤波器8主要为滤除回波信号中因耦合而产生的高频分量，随后回波信号被放大，并经由积分器10、乘法器11以及低通滤波器12提取出信号的相位信息，并通过信号处理电路得到距离信息。

本发明的工作原理图如图2～3所示，信号处理电路产生正弦激励信号，并经过D/A转换器6以及功率放大器7的处理输入给发射探头1，成为超声波发射探头1的激励信号。发射探头1在激励信号激励下产生高频振动，并向待测点4发出1MHz高频超声信号3-1。超声信号沿反射方向被接收探头2接收，接收探头2可以与发射探头1相同，也可以采用高测量带宽的高频麦克风。接收探头2接收的回波信号3-2经过信号滤波器8，滤除因耦合造成的干扰，并进行放大处理。放大后的回波信号按照如下算法：

由超声发射探头1发射的正弦信号3-1为：

Ss(t)＝As·sin(2πf·t)

其中，Ss(t)为发射波信号，As为发射波幅度，f为频率，t为时间。

发射出的超声波信号经过反射并被接收探头2接收的信号3-2为：

Sr(t)＝Ar·sin(2πf·t-Δφ)

其中，Sr(t)为反射波信号，Ar为反射波幅度，f为频率，t为时间，Δφ为两波形相位差即需要测量的位移。

将接收波信号由积分器10进行相位90度位移并与发射波信号进行算法乘后，得到如下信号：

P(t)＝Ss(t)Sr(t+90°)＝0.5AsAr·(sin(Δφ)-sin(2·2πf·t-Δφ))

P(t)为两个波形相乘后的信号

这样得到的信号包含了两倍于激励信号频率的交流分量以及另一个直流分量。低通滤波器12可以滤除信号中的交流分量，信号中剩下的直流分量与待测距离成三角函数正比。随后直流分量信号经过A/D转换器13被送回信号处理器MCU5，MCU5通过对直流分量的计算，就可以得到待测距离。

本装置在进行测量时，首先按照上述原理算法得到基础相位信息φ，并以此信息为参考值，随后进行连续测量得到的相位信息与参考值进行比较。这种方法测得的距离虽然也会受到温度等的影响，但由于敏感度高，从而间接减小了环境因素的影响系数。因此采用本发明的超声波距离测量装置，测距精度高，精度最高可以达到1μm(进行相对距离测量时)。本测量装置可以被应用在工业加工、齿轮轴承受力分析，材料表面粗糙度测量等领域。

Claims (5)

1.一种相位比较式超声波距离测量装置，包括：发射探头、接收探头、超声探头驱动电路、信号滤波器、放大电路、积分器、乘法器、低通滤波器以及信号处理电路；所述的信号处理电路与超声探头驱动电路相连接，超声探头驱动电路与发射探头相连接，信号处理电路的输出信号经超声探头驱动电路的处理输入给发射探头；所述的接收探头、信号滤波器、放大电路、积分器、乘法器、低通滤波器以及信号处理电路依次相连接；信号处理电路的输出端与乘法器的输入端相连接；将发射探头的发射信号和接收探头的接收信号经乘法器和低通滤波器处理后送至给信号处理电路，并通过信号处理电路的中央处理器的计算后得到测试距离。

2.根据权利要求1所述的一种相位比较式超声波距离测量装置，其特征在于：所述的超声探头驱动电路包括数模转换和功率放大电路。

3.根据权利要求1所述的一种相位比较式超声波距离测量装置，其特征在于：所述的信号处理电路包括模数转换器和中央处理器。

4.根据权利要求1所述的一种相位比较式超声波距离测量装置，其特征在于：所述发射探头和所述的接收探头为工作频率为1MHz的电压式探头。

5.根据权利要求1所述的一种相位比较式超声波距离测量装置，其特征在于：所述发射探头和所述的接收探头的端面配备声透镜。

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