CN103777202A - 基于有阻尼自由振动的超声波测量距离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有阻尼自由振动的超声波测量距离的方法，该方法具体为：正弦波发生器输出个波形完整且连续的正弦波，该正弦波通过功率放大电路放大后激励超声波发射器发出超声波，同时超声波接收器开始接收超声波，计时器开始计时，个正弦波输出完成后，正弦波发生器输出的标识信号S从低电平变为高电平；同时，正弦波发生器输出

Description

基于有阻尼自由振动的超声波测量距离的方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，尤其涉及一种基于有阻尼自由振动的超声波测量距离的方法。

背景技术

频率在20kHz以上的声波，其振动频率已经超出人耳所能感知的最高频率上限，因而称为超声波。超声波遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，其特点是沿直线传播，具有良好的成束性，方向性好，在介质的分界面处会发生反射和折射现象，在进入介质后其振动幅度会因介质吸收而发生衰减。超声波的频率可以非常高，达到兆赫级。

超声波在同一介质中的传播速度基本恒定，因此利用测量超声波在该介质中经过一段距离所用的时间，可以实现非接触式测距。为了提高测距的精确度，必须精确测量超声波在介质中传播时所经过的时间（即踱越时间）。对于不同的介质，超声波传播的速度不同，利用这一特性，也可以测定介质的特性，如测定酒精的浓度，测量锅炉中空气的温度等等。如果测定了不同介质的超声波传播特性，则可以测定不同物质的类型，如蔗糖溶液、酒精溶液、各种酒类的品质特性等等。

极化后的压电材料在外加电场作用下会发生机械形变，称为逆压电效应，反之，压电材料的机械形变也会产生电压，称为正压电效应。利用逆压电效应，可以把高频电信号转换为高频机械振动，从而产生超声波，此时换能器称作发射器；同样，利用正压电效应可以将高频机械振动转换为电信号，此时换能器称作接收器。

发射器在激励电信号（f(t)=U_mcos(ωt)）的作用下作受迫振动，由于同时受到弹性力的阻力的作用，发射振子作有阻尼的受迫振动，其振动状态为：

$y\left(t\right)=A_0{e}^{-\mathrm{\βt}}\cos (\sqrt{{\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\β}}^{2}t}+{\mathrm{\φ}}_0)+A(1-e^{-\mathrm{\βt}})\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})---\left(1\right)$

式中：A₀和φ₀是由初始振动条件决定的振幅和相位，A和φ为激励信号（f(t)=U_mcos(ωt)）长期作用下发射振子等幅振动的振幅和相位，β为发射振子的阻尼系数，ω₀为发射振子振动的固有频率。

若t=0时，A₀=0，f(t)=U_mcos(ωt)，则发射振子的振动状态为：

y(t)=A(1-e^-βt)cos(ωt+φ)   （2）

可见发射振子的振幅按指数规律增长，直至到达振幅A，

当ω=ω₀时， $\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}.$

当激励电信号（f(t)=U_mcos(ωt)）停止时，发射振子将做有阻尼自由振动，其振动状态为：

A₁和是激励信号停止时超声波换能器的振幅和相位。

发射器发出的超声波在介质中传播过程中产生衰减，其声压和声强的衰减规律为：

P_x=P₀e^-αx   （4）

I_x=I₀e^-2αx   （5）

其中：P_x、I_x：距声源x距离处的声压和声强

x：测量点与声源间的距离

P₀、I₀：为声源处的声压和声强

α：传播介质的衰减系数，单位是Np/cm（奈培/厘米）

若接收器距离发射器距离为D（即x=D）,则接收器在上述的声压激励下开始受迫振动，产生正压电效应，其输出电信号为：

式中：A′₀和

是接收器的初始振幅和相位，β′为接收器的阻尼系数，ω′₀为接收器振动的固有频率；A′和

为接收器在声压长期作用下的振幅和相位。

若接收器在声压的作用下从静止状态开始振动，则其输出电信号为：

可见，其振动幅度呈指数规律增长，最终稳定在A′。

当接收器所在位置的声压消失时，接收器将做有阻尼自由振动，其振动状态为：

式中：A′₁和

是声压消失时接收器的振幅和相位，β′为接收器的阻尼系数，ω′₀为接收器振动的固有频率。

理论上，发射器的固有振动频率ω₀与接收器的固有振动频率ω′₀非常接近，即ω₀≈ω′₀。

超声波发射器在脉冲电信号的激励下发出超声波，通过传播介质传到被测物体，形成反射波；反射波再通过传播介质返回到接收器，接收器把声信号转换成电信号，从发射到接收，超声波所经过的距离是待测距离l的两倍，由系统测量出超声波从发射到接收所经过的时间（即渡越时间）Δt，则待测距离：

$l=\frac{\mathrm{c\Δt}}{2}---\left(9\right)$

其中：c是超声波的传输速度，

单位是m/s，T是环境温度；Δt是超声波从发射到接收所经过的时间，单位是秒。

由式（9）可见，超声波传播的距离l与超声波的踱越时间Δt成正比，距离的测量转变为时间的测量。

如果发射器和接收器处于待测距离的两端，则从发射到接收，超声波所经过的距离即是待测距离l，若从发射点到接收点超声波所经过的时间为Δt，则待测距离：

l=cΔt   （10）

由式（2）可知，在激励电信号f(t)=U_mcos(ωt)作用于发射器后，发射器发出的超声波会呈现指数规律增幅的过程，直至幅度稳定；在激励电信号f(t)=U_mcos(ωt)结束后，超声波发射振子会呈现指数规律减幅的过程，其振动频率

而接收器在超声波声压的激励下，其输出的电信号也有一个指数规律增幅的过程（式（7）），直至幅度稳定；当激励声压消失时，接收器输出的电信号按指数规律衰减，其振荡频率

图1表示了上述增幅和减幅的过程。

由图1，当激励电信号施加于发射器时，其发射振子的振动幅度从0开始呈指数规律增加，输出的超声波强度亦从0起呈指数规律增加，接收振子也有一个相同的增幅过程。由于发射波在介质中传播时，其声压呈指数规律衰减（式（4）、式（5）），接收振子有可能感受不到第一个发射波的激励作用（或者说感受很弱）。换句话说，接收器检测到的第一个回波前沿并不一定是发射器输出的第1个超声波的前沿，可能是第2个波、第3个波……甚至是N个波的前沿。但是，在给超声波发射器施加激励电信号时，计时器却已经开始计时，这将为测量带来不可估计的误差。在发射器输出功率相同的情况下，测量距离越远，接收到的回波幅度就越小。当回波幅度小到一定程度时就不能被检测或不容易被检测，从而使测量距离受到限制。如果选用谐振频率为40kHz的超声波发射器和接收器，回波前沿检测相差一个周期所带来的测量误差是8.5mm(超声波的波速按340m/s计算)，对于mm级精度的测量，这样的误差是无法忍受的。另一方面，计时器的测量值每相差1μs也将带来0.34mm的测距误差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于有阻尼自由振动的超声波踱越时间测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于有阻尼自由振动的超声波测量距离的方法，该方法具体包括以下步骤：

（1）正弦波发生器输出n个波形完整且连续的正弦波，该正弦波通过功率放大电路放大后激励超声波发射器发出超声波，计时器开始计时，同时超声波接收器开始接收超声波，在超声波接收器输出电信号的每一个正向过零时刻，过零检测电路输出正向锁存脉冲P，n为自然数，

Δt为超声波的踱越时间，ω为正弦波发生器输出电信号的角频率。

（2）n个正弦波输出完成后，正弦波发生器输出的标识信号S从低电平变为高电平；同时，正弦波发生器输出m个波形完整但相位倒相的正弦波，此波形输出完成后，正弦波发生器不再输出信号；m为自然数。

（3）标识信号S的上升沿将计时器的值N₀捕获并存贮到数据存贮器中，同时此标识信号S的上升沿设置锁存脉冲P的上升沿有效。

（4）锁存脉冲P的上升沿依次捕获计时器的值N₁、N₂......N_i并存贮到数据存贮器中，i为自然数，n<i<n+k，k为超声波接收器振子有阻尼自由振动的周期数，n为正弦波发生器输出正弦波的数目。

（5）从数据存贮器中读取N₀、N₁、N₂......N_i，并计算Δt₀=N₁-N₀、Δt₁=N₂-N₁、Δt₂=N₃-N₂、Δt₃=N₄-N₃......Δt_i-1=N_i-N_i-1。

（6）根据Δt₁、Δt₂......Δt_i-1的值判断超声波接收器是受迫振动还是有阻尼自由振动，当

时，接收器处于受迫振动状态，ω为正弦波发生器输出电信号的角频率；当

时，接收器处于有阻尼自由振动状态，ω′_r为有阻尼自由振动的频率，受迫振动周期记为ΔT₁、ΔT₂......ΔT_j，j为超声波接收器受迫振动次数，为自然数，1≤j<n。

（7）计算Δt=Δt₀+ΔT₁+ΔT₂+......+ΔT_j-Δt_φ，Δt_φ为发射器输出的超声波信号与正弦波发生器输出的电信号之间的相移时间，为定值。

（8）若为反射式测距，根据

计算待测距离l；若为直射式测距，根据l=cΔt计算待测距离l，其中：c是超声波在介质中的传播速度，单位是m/s，Δt是超声波从发射到接收所经过的时间，单位是秒。

本发明的有益效果是，本发明充分利用了超声波振子的阻尼自由振动特性，可以准确、有效地测量超声波的踱越时间，提高超声波测距的精度。实验表明，采用此方法测量误差小于0.1mm。远远优于同类技术所能达到的技术水平。

附图说明

图1是实际的发射波和接收信号在时间轴的对应关系图。

图2是本发明的方法原理图。

具体实施方式

下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

实际上，由式（3）和式（8）可以看出一个共同的现象，那就是不管是发射器还是接收器，当激励作用消失时，发射振子和接收振子都将做自由阻尼振动，其振动频率仅与振子的自身参数相关。如果将振子的初始振动频率设置在适当偏离自由阻尼振动的频率上，记为f，当激励作用消失时，振子振动在有阻尼自由振动频率上，记为f_r，由于f和f_r都是单频点，可以准确地检测变频的时刻；而发射器停止激励超声波振子属于主动行为，停止激励的时刻可事先预知。本发明的原理描述如图2所示，本发明可以准确的测量超声波的踱越时间。

正弦波发生器输出的信号经功率放大器放大后激励超声波发射器输出超声波。正弦波发生器输出n个波形完整且连续的正弦波（图2中，n=15），其输出波形的个数n是可控制的，在其输出信号的同时，也输出一个标识信号S，当其输出信号时，S=0，当其不输出信号时，S=1。假定输出波形的时间为T₁，不输出波形的时间为T₂。为减小正弦波发生器输出信号停止后，发射器的余振对接收器的影响，正弦波发生器输出n个波形后，附加输出了m个波形完全倒相的信号周期，保证发射器不产生拖尾现象（图2中，m=1）。

图2中，发射器输出的超声波信号与正弦波发生器输出的电信号之间有一个大约90°的相移φ，当电信号的角频率ω大于发射振子的自由振动频率ω₀（即ω>ω₀）时，相移φ大于90°，当ω<ω₀时，相移φ小于90°。ω为定值时，相移φ为定值。

超声波接收器接收到发射波信号，同样地有一个增幅和稳幅的过程（发射器要输出足够多的波形以保证接收器的信号能够稳定，即处于图2所示的接收器输出信号稳幅区），当超声波信号消失时，接收器振子有一个呈指数规律衰减的过程。

接收器输出的微弱电信号经信号调理电路放大、整形后，在正向过零时刻输出锁存脉冲P，锁存脉冲P专门用来锁存计时器的值，接收器信号每正向过零一次，锁存脉冲P就会记录一个计时器的值。标识信号S的上升沿也会锁存计时器的值，逻辑控制电路会标志标识信号S上升沿锁存的计时器的值作为第1个数据N₀，其后，锁存脉冲P的上升沿锁存的计时器的值依次标志为N₁、N₂......所有锁存的这些计时器的值都会被按顺序存贮并由控制器读取。

在图2所示的原理描述中，共锁存了15个计时器的值N₀、N₁、N₂......N₁₄。Δt₀=N₁-N₀是标识信号S的上升沿与其后的接收器信号第一次正向过零之间的时间。N₁、N₂......N₁₄之间的差值（N_i-N_i-1，i=2,3,4......14）就是接收器输出信号的周期，通过计算可以得到Δt₁=N₂-N₁、Δt₂=N₃-N₂、Δt₃=N₄-N₃......Δt₁₃=N₁₄-N₁₃。显然，Δt₁、Δt₂......Δt₁₀是正弦波发生器输出电信号的周期，其值为

Δt₁₁、Δt₁₂、Δt₁₃为接收器的有阻尼自由振动周期，其值为控制器通过判别Δt_i（i=1,2......13）从

到

的变化，可以准确地识别Δt_i（i=1,2......13）是受迫振动周期还是有阻尼自由振动周期

从而判断接收点超声波结束的时刻；渡越时间Δt就是发射器停止输出超声波的时刻与接收点超声波消失的时刻之间的时间，即Δt=Δt₀+Δt₁+Δt₂+......+Δt₁₀-Δt_φ（Δt_φ为发射器输出的超声波信号与正弦波发生器输出的电信号之间的相移时间，为定值）。

根据

（反射式测距）或l=cΔt（直射式测距），得到发射器与接收器之间的距离。

基于以上原理：本发明基于有阻尼自由振动的超声波测量距离的方法，具体包括以下步骤：

（1）正弦波发生器输出n个波形完整且连续的正弦波，该正弦波通过功率放大电路放大后激励超声波发射器发出超声波，计时器开始计时，同时超声波接收器开始接收超声波，在超声波接收器输出电信号的每一个正向过零时刻，过零检测电路输出正向锁存脉冲P。n为自然数，

Δt为超声波的踱越时间，ω为正弦波发生器输出电信号的角频率。

（2）n个正弦波输出完成后，正弦波发生器输出的标识信号S从低电平变为高电平；同时，正弦波发生器输出m个波形完整但相位倒相的正弦波。此波形输出完成后，正弦波发生器不再输出信号；m为自然数，与超声波发射器的机械惯性相关，m≥1。

（3）标识信号S的上升沿将计时器的值N₀捕获并存贮到数据存贮器中，同时此标识信号S的上升沿设置锁存脉冲P的上升沿有效。

（4）锁存脉冲P的上升沿依次捕获计时器的值N₁、N₂......N_i并存贮到数据存贮器中，i为自然数，n<i<n+k，k为超声波接收器振子有阻尼自由振动的周期数，n为正弦波发生器输出正弦波的数目。

（5）从数据存贮器中读取N₀、N₁、N₂......N_i，并计算Δt₀=N₁-N₀、Δt₁=N₂-N₁、Δt₂=N₃-N₂、Δt₃=N₄-N₃......Δt_i-1=N_i-N_i-1。

（6）根据Δt₁、Δt₂......Δt_i-1的值判断超声波接收器是受迫振动还是有阻尼自由振动，当

时，接收器处于受迫振动状态，ω为正弦波发生器输出电信号的角频率，即为超声波频率；当

时，ω′_r为有阻尼自由振动的频率，接收器处于有阻尼自由振动状态。受迫振动周期记为ΔT₁、ΔT₂......ΔT_j。j为超声波接收器受迫振动次数，为自然数，1≤j<n。

（7）计算Δt=Δt₀+ΔT₁+ΔT₂+......+ΔT_j-Δt_φ。Δt_φ为发射器输出的超声波信号与正弦波发生器输出的电信号之间的相移时间，为定值。

（8）若为反射式测距，根据

计算待测距离l；若为直射式测距，根据l=cΔt计算待测距离l。其中：c是超声波在介质中的传播速度，单位是m/s，Δt是超声波从发射到接收所经过的时间，单位是秒。

本发明的核心技术要点之一在于超声波发射器输出的超声波频率ω偏离于发射器振子的有阻尼自由振动频率ω_r同时又处于其正常工作带宽之内；输出超声波的波形为连续、完整的正弦波，其波形个数为n，（n为自然数，

Δt为超声波的踱越时间，ω为超声波发射器输出的超声波频率）。为了消除激励电信号消除时超声波发射振子的有阻尼自由振动输出超声波，正弦波发生器向超声波发射器额外施加了m个波形完全倒相的电信号激励周期，保证发射器不产生拖尾现象。m为自然数，与超声波发射器振子的机械惯性相关，m≥1。（在图2所示的原理描述中，n=15，m=1）。

本发明专利的核心技术要点之二在于超声波发射器输出的超声波是断续的，正弦波发生器在停止激励发射器时，其输出的标识信号S的状态同时发生变化（在图2所示的原理描述中，S从低电平向高电平变化）。

本发明专利的核心技术要点之三在于利用了超声波接收振子的有阻尼自由振动特性，当超声波激励消失时，超声波接收振子会脱离超声波激励频率ω而振动于有阻尼自由振动频率ω′_r。控制器通过判别ω到ω′_r的变化，来识别超声波接收振子所在位置超声波激励信号是否消失。

本发明充分利用了超声波接收振子的有阻尼自由振动特性，可以准确、有效地测量超声波的踱越时间，提高超声波测距的精度。实验表明，采用此方法测量误差小于0.1mm。远远优于同类技术所能达到的技术水平。

Claims (1)

1.一种基于有阻尼自由振动的超声波测量距离的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

（1）正弦波发生器输出                                                个波形完整且连续的正弦波，该正弦波通过功率放大电路放大后激励超声波发射器发出超声波，计时器开始计时，同时超声波接收器开始接收超声波，在超声波接收器输出电信号的每一个正向过零时刻，过零检测电路输出正向锁存脉冲P，

为自然数，

，

为超声波的踱越时间，

为正弦波发生器输出电信号的角频率；

（2）

个正弦波输出完成后，正弦波发生器输出的标识信号S从低电平变为高电平；同时，正弦波发生器输出

个波形完整但相位倒相的正弦波，此波形输出完成后，正弦波发生器不再输出信号；

为自然数；

（3）标识信号S的上升沿将计时器的值

捕获并存贮到数据存贮器中，同时此标识信号S的上升沿设置锁存脉冲P 的上升沿有效；

（4）锁存脉冲P的上升沿依次捕获计时器的值

、

......

并存贮到数据存贮器中，

为自然数，

，

为超声波接收器振子有阻尼自由振动的周期数，

为正弦波发生器输出正弦波的数目；

（5）从数据存贮器中读取

、

、

......

，并计算

、

、

、

......；

（6）根据、

......

的值判断超声波接收器是受迫振动还是有阻尼自由振动，当

（

）时，接收器处于受迫振动状态，为正弦波发生器输出电信号的角频率；当

（

）时，接收器处于有阻尼自由振动状态，

为有阻尼自由振动的频率，受迫振动周期记为

、

......

，

为超声波接收器受迫振动次数，为自然数，

；

（7）计算=

+

+

+......+

-

，

为发射器输出的超声波信号与正弦波发生器输出的电信号之间的相移时间，为定值；

（8）若为反射式测距，根据计算待测距离

；若为直射式测距，根据

计算待测距离

，其中：

是超声波在介质中的传播速度，单位是

，是超声波从发射到接收所经过的时间，单位是秒。