CN105403180A - 一种超声波计米器及其计米算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波计米器及其计米算法，包括：用于使待检测线缆（14）呈线性输送的线缆传动模块（4），所述线缆传动模块（4）与升降压紧模块（3）相连，所述待检测线缆（14）的上方水平设置有超声波换能模块，所述超声波换能模块的输出端与超声波收发单元（7）的输入端相连，所述超声波收发单元（7）的输出端与放大单元（8）的输入端相连，所述放大单元（8）的输出端与滤波单元（9）的输入端相连，所述滤波单元（9）的输出端与A/D转换单元（10）的输入端相连。本发明提供的一种超声波计米器及其计米算法，能有效提高计米测量的精度，同时线缆不易打滑，可以进行高速牵引，提高效率。

Description

一种超声波计米器及其计米算法

技术领域

本发明涉及一种超声波计米器及其计米算法，属于测量技术领域。

背景技术

线缆生产使用过程中常需进行长度计米，现有的线缆计米器主要分为机械式，电子式，以及单片机控制的多功能线缆长度计米器。大多计米器的计米测试数据来源都是采用计米轮在线缆表面靠摩擦力滚动得来。依靠线缆与计米轮的摩擦滚动计米具有如下缺点：在计米开始、结束、中间停顿等情况下，由于惯性力作用，造成计米轮与线缆表面打滑，会造成计米误差；其次，计米轮长时间与线缆接触，会产生磨损，使得计米轮周长发生变化，也会形成错误计米。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种线缆牵引式，防止线缆在传动过程中出现打滑、松垮现象，采用超声波测量牵引出的线缆长度的，有效提高计米测量精度的超声波计米器；进一步地，本发明提供一种采用超声波数据进行精确计米的超声波计米器的计米算法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种超声波计米器，其特征在于，包括：用于使待检测线缆呈线性输送的线缆传动模块，所述线缆传动模块与升降压紧模块相连，所述待检测线缆的上方水平设置有超声波换能模块，所述超声波换能模块的输出端与超声波收发单元的输入端相连，所述超声波收发单元的输出端与放大单元的输入端相连，所述放大单元的输出端与滤波单元的输入端相连，所述滤波单元的输出端与A/D转换单元的输入端相连，所述A/D转换单元的输出端与存储单元的输入端相连，所述存储单元的输出端与计算单元的输入端相连，所述超声波收发单元、线缆传动模块、升降压紧模块、存储单元、计算单元、计米显示模块和电源模块均与主控模块相连。

所述线缆传动模块包括在水平放置的所述待检测线缆的上下两侧呈对称式分布的至少4个导线轮，所述导线轮上设置有用于放入所述待检测线缆的凹槽，所述导线轮包括位于所述待检测线缆的上侧的至少2个上导线轮和位于所述待检测线缆的下侧的至少2个下导线轮；所述下导线轮与升降压紧模块相连。

所述上导线轮和下导线轮的转速相同，转向相反。

所述主控模块包括MSP430单片机；

所述超声波换能模块包括用于发送超声波脉冲信号的第一超声波换能器和用于接收超声波脉冲信号的第二超声波换能器；所述第一超声波换能器和第二超声波换能器内均设置有场效应管；用于控制第一超声波换能器和第二超声波换能器发送和接收超声波脉冲信号的所述超声波收发单元的发射电路的NMOS栅极与MSP430单片机的I/O端口相连；所述超声波收发单元由所述MSP430单片机控制进行超声波脉冲信号的发送或接收。

所述放大单元包括一级放大器和二级放大器，所述一级放大器包括放大倍数可调的电位器PR2，所述一级放大器和二级放大器之间由R-C网络连接。

所述存储单元包括FIFO存储器。

所述计算单元包括DSP芯片。

一种超声波计米器的计米算法，其特征在于：包括以下步骤：

设第一超声波换能器到待检测线缆的垂直距离为H，第一超声波换能器发送的超声波脉冲信号的路径到待检测线缆的切入点的水平距离为L，发送的超声波脉冲信号的路径入射角为θ，通过预先放置和调整第一超声波换能器和第二超声波换能器的位置，直接得到H，L和θ的值；

计算发送的超声波脉冲信号的路径长度S，即入射线长度S：

$S=\sqrt{H^2+L^2}---\left(1\right)$

待检测线缆在牵引过程中的速度设为v_s，v_s在反射线方向上的分量为v_x，则：

v_x＝v_s·cosθ(2)

反射线即为接收超声波脉冲信号的路径；

设超声波脉冲信号从第一超声波换能器发送到第二超声波换能器接收所用时间为t_s，待检测线缆开始牵引时，主控模块开始计时，则：

$\frac{S}{v_c}+\frac{S}{v_c+v_x}=t_s---\left(3\right)$

式(3)中，v_c为超声波脉冲信号在空气中的传播速度，v_c＝340m/s；

由式(2)，式(3)得待检测线缆在牵引过程中的速度v_s：

$v_s=\frac{t_s\·{v_c}^2-2S\·v_c}{(S-t_s\·v_c)\·\cos \mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

利用式(5)计算得牵引出的待检测线缆的长度L_s：

$L_s={\∫}_{t_0}^{t_s}{v}_{s}dt---\left(5\right)$

式(5)中，t₀＝0。

所述第一超声波换能器和第二超声波换能器对称式位于所述切入点的两侧。

采用本发明，能有效提高计米测量的精度，同时线缆不易打滑，可以进行高速牵引，提高效率。使用的各单元模块稳定性好、可靠性高且成本低，能够实现高效精确的线缆计米工作。

本发明提供的一种超声波计米器及其计米算法，线缆传动模块的设置，负责将线缆从计米器一端直线传送到另一端，实现了本发明的线缆牵引式，还可以进行高速牵引，提高计米效率；升降压紧模块的设置，负责将线缆传动模块与线缆夹紧，增大线缆传动模块与线缆之间的摩擦力，并为线缆提供一定的张力，使待检测线缆不易打滑或松垮，实现了高速牵引；超声波换能模块的设置，使本发明采用超声波测量牵引出的线缆长度的，有效提高计米测量精度；第一超声波换能器和第二超声波换能器由主控模块控制超声波收发单元来发出并接收超声波脉冲信号，实现了线缆长度的超声波式测量；放大单元负责将测量计算得到信号进行放大；滤波单元负责将放大后的信号进行滤波处理；A/D转换单元负责将滤波后的模拟信号转换成电信号；存储单元用来存储A/D转换单元传送来的数据；计算单元用来对存储单元中的数据转换计算得到测量结果；计米显示模块负责显示最终测得的数据。电源模块负责给本发明的各个工作单元供电。

说明书附图

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中线缆传动模块的结构示意图；

图3为本发明的计米算法原理图；

图4为本发明中超声波收发单元的电路图；

图5是本发明中放大单元的电路图；

图6是本发明中滤波单元的电路图；

图7是本发明中A/D转换单元的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种超声波计米器，包括电源模块1，主控模块2，升降压紧模块3，线缆传动模块4，一组超声波换能模块(第一超声波换能器5和第二超声波换能器6)，超声波收发单元7，放大单元8，滤波单元9，A/D转换单元10，存储单元11，计算单元12和计米显示模块13。所述存储单元11包括FIFO存储器。所述计算单元12包括DSP芯片。

电源模块1负责给整个计米器的各个工作单元供电。

主控模块2负责控制升降压紧模块3，线缆传动模块4，第一超声波换能器5，第二超声波换能器6，超声波收发单元7，放大单元8，滤波单元9，A/D转换单元10，FIFO，DSP和计米显示模块13。

如图2所示，升降压紧模块3负责将线缆传动模块4与待检测线缆14夹紧，增大线缆传动模块4与待检测线缆14之间的摩擦力，并为待检测线缆14提供一定的张力。

如图2所示，线缆传动模块4由四个边缘上带有凹槽的导线轮组成，分别为两个上导线轮41和两个下导线轮42。该线缆传动模块4的四个导线轮轴向平行放置于待检测线缆14两侧，并由主控模块2同步控制，四个导线轮转速一致。负责将待检测线缆14从计米器一端直线传送到另一端。

第一超声波换能器5和第二超声波换能器6由主控模块2控制超声波收发单元7来发出并接收超声波脉冲。

放大单元8负责将测量计算得到信号进行放大。

滤波单元9负责将放大后的信号进行滤波处理。

A/D转换单元10负责将滤波后的模拟信号转换成电信号。

FIFO用来存储A/D转换单元10传送来的数据。

DSP用来对FIFO中的数据转换计算得到测量结果。

计米显示模块13负责显示最终测得的数据。

如图1～图2所示，本发明工作时，首先将待检测线缆14放置在线缆传动模块4的四个导线轮之间，通过主控模块2控制升降压紧模块3，上下同时调整下导线轮42的高度，使得四个导线轮将待检测线缆14夹紧并处于水平位置。通过控制线缆传动模块4的四个导线轮同时同速转动且上导线轮41逆时针转动，下导线轮42顺时针转动，在待检测线缆14一端牵引待检测线缆14。牵引待检测线缆14的同时，超声波收发单元7控制第一超声波换能器5和第二超声波换能器6发送和接收超声波脉冲信号，经过放大单元8，滤波单元9，A/D转换单元10，FIFO，DSP计算得到牵引出的待检测线缆14的长度，并将测得的数据传送给计米显示模块13，显示出测量结果。

如图3所示，简要说明超声波检测线缆基本原理。

记第一超声波换能器5到待检测线缆14的垂直距离为H，第一超声波换能器5到待检测线缆14起始点(即图3中超声波脉冲信号路径到待检测线缆14的切入点)的水平距离为L，超声波脉冲信号路径的入射角为θ，通过预先放置和调整第一超声波换能器5和第二超声波换能器6的位置，可以直接得到H，L和θ。

利用式(1)，计算得入射线的长度S。待检测线缆14在牵引过程中的速度记为v_s，其在反射线方向上的分量为v_x，则

v_x＝v_s·cosθ(2)

记超声波脉冲信号从第一超声波换能器5发送到第二超声波换能器6接收所用时间为t_s(待检测线缆14开始牵引时，主控模块2开始计时)，则：

$\frac{S}{v_c}+\frac{S}{v_c+v_x}=t_s---\left(3\right)$

其中，v_c为超声波在空气中的传播速度，v_c＝340m/s。

利用式(2)和式(3)，得待检测线缆14在牵引过程中的速度：

$v_s=\frac{t_s\·{v_c}^2-2S\·v_c}{(S-t_s\·v_c)\·\cos \mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

利用公式(5)计算得牵引出的待检测线缆14的长度L_s：

$L_s={\∫}_{t_0}^{t_s}{v}_{s}dt---\left(5\right)$

其中，t₀为初试时间，t₀＝0。

如图4所示，本发明中的第一超声波换能器5和第二超声波换能器6由MSP430单片机2控制高速场效应管的通断激励换能器发出超声波脉冲，发射电路的NMOS的栅极与MSP430单片机的I/O端口相连，通过对MSP430的I/O的访问控制，使超声波收发单元7在某一时刻只能实现超声波的发射或超声波的接收。采用CD4051构成模拟开关对信号进行选择，CD4051在MSP430的控制下，在不同时刻控制其中一路信号输出到下一级电路。

如图5所示，由于超声波信号在空气中传播存在一定程度的衰减，超声波信号的脉冲波很难保持稳定，因此接收到的超声波信号很微弱，容易因信号幅值波动而发生漏检或者误判。为保证接收信号的强度，需要增加前置放大器对振荡信号进行预处理后再加到下一级电路上。放大电路由两片低噪声、精密、高速运算放大器OP37和R、C网络构成。前置放大采用两级放大，总放大倍数等于两级放大倍数之积。第一级采用电位器PR2，放大倍数可调，最大放大倍数为51倍。第二级放大倍数为39倍。由两级放大倍数最终可确定整个放大器的放大倍数最大为1989倍，经过放大器的超声波回波信号电压幅值完全满足下一级电路需要。

如图6所示，本发明的带通滤波器由MAX275内部的两个二阶滤波器级联来实现四阶有源滤波。将第一级带通滤波器的输出信号BPOA作为第二级带通滤波器的输入信号，构成中心频率为40KHz的带通滤波器，滤波器中心频率F0为40KHz。主放大电路由AD8225实现，将滤波器处理后的信号输出的直流电压满足1.5V～2V左右，恰好满足ADS930的A/D转换输入信号要求。

如图7所示，本发明利用MSP430单片机控制ADS930转换芯片使能启用芯片，并产生PWM信号输入至ADS930转换芯片CLK信号的输入端，实现对放大电路输出信号的采集。采样数据通过D0～D7引脚输出。A/D转换输出的数据存储到FIFO中，由DSP的TMS320VC5410对FIFO中数据转换计算得到测量结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波计米器，其特征在于，包括：用于使待检测线缆(14)呈线性输送的线缆传动模块(4)，所述线缆传动模块(4)与升降压紧模块(3)相连，所述待检测线缆(14)的上方水平设置有超声波换能模块，所述超声波换能模块的输出端与超声波收发单元(7)的输入端相连，所述超声波收发单元(7)的输出端与放大单元(8)的输入端相连，所述放大单元(8)的输出端与滤波单元(9)的输入端相连，所述滤波单元(9)的输出端与A/D转换单元(10)的输入端相连，所述A/D转换单元(10)的输出端与存储单元(11)的输入端相连，所述存储单元(11)的输出端与计算单元(12)的输入端相连，所述超声波收发单元(7)、线缆传动模块(4)、升降压紧模块(3)、存储单元(11)、计算单元(12)、计米显示模块(13)和电源模块(1)均与主控模块(2)相连。

2.根据权利要求1所述的一种超声波计米器，其特征在于：所述线缆传动模块(4)包括在水平放置的所述待检测线缆(14)的上下两侧呈对称式分布的至少4个导线轮，所述导线轮上设置有用于放入所述待检测线缆(14)的凹槽，所述导线轮包括位于所述待检测线缆(14)的上侧的至少2个上导线轮(41)和位于所述待检测线缆(14)的下侧的至少2个下导线轮(42)；所述下导线轮(42)与升降压紧模块(3)相连。

3.根据权利要求2所述的一种超声波计米器，其特征在于：所述上导线轮(41)和下导线轮(42)的转速相同，转向相反。

4.根据权利要求1所述的一种超声波计米器，其特征在于：所述主控模块(2)包括MSP430单片机。

5.根据权利要求4所述的一种超声波计米器，其特征在于：所述超声波换能模块包括用于发送超声波脉冲信号的第一超声波换能器(5)和用于接收超声波脉冲信号的第二超声波换能器(6)；所述第一超声波换能器(5)和第二超声波换能器(6)内均设置有场效应管；用于控制第一超声波换能器(5)和第二超声波换能器(6)发送和接收超声波脉冲信号的所述超声波收发单元(7)的发射电路的NMOS栅极与MSP430单片机的I/O端口相连；所述超声波收发单元(7)由所述MSP430单片机控制进行超声波脉冲信号的发送或接收。

6.根据权利要求1所述的一种超声波计米器，其特征在于：所述放大单元(8)包括一级放大器和二级放大器，所述一级放大器包括放大倍数可调的电位器PR2，所述一级放大器和二级放大器之间由R-C网络连接。

7.根据权利要求1所述的一种超声波计米器，其特征在于：所述存储单元(11)包括FIFO存储器。

8.根据权利要求1所述的一种超声波计米器，其特征在于：所述计算单元(12)包括DSP芯片。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种超声波计米器的计米算法，其特征在于：包括以下步骤：

设第一超声波换能器(5)到待检测线缆(14)的垂直距离为H，第一超声波换能器(5)发送的超声波脉冲信号的路径到待检测线缆(14)的切入点的水平距离为L，发送的超声波脉冲信号的路径入射角为θ，通过预先放置和调整第一超声波换能器(5)和第二超声波换能器(6)的位置，直接得到H，L和θ的值；

计算发送的超声波脉冲信号的路径长度S，即入射线长度S：

待检测线缆(14)在牵引过程中的速度设为v_s，v_s在反射线方向上的分量为v_x，则：

v_x＝v_s·cosθ(2)

设超声波脉冲信号从第一超声波换能器(5)发送到第二超声波换能器(6)接收所用时间为t_s，待检测线缆(14)开始牵引时，主控模块(2)开始计时，则：

式(3)中，v_c为超声波脉冲信号在空气中的传播速度，v_c＝340m/s；

由式(2)，式(3)得待检测线缆(14)在牵引过程中的速度v_s：

利用式(5)计算得牵引出的待检测线缆(14)的长度L_s：

式(5)中，t₀＝0。

10.根据权利要求9所述的一种超声波计米器的计米算法，其特征在于：所述第一超声波换能器(5)和第二超声波换能器(6)对称式位于所述切入点的两侧。