CN105509665A - 一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置及方法 - Google Patents

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CN105509665A CN201510853760.1A CN201510853760A CN105509665A CN 105509665 A CN105509665 A CN 105509665A CN 201510853760 A CN201510853760 A CN 201510853760A CN 105509665 A CN105509665 A CN 105509665A
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Abstract

本发明涉及一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置及方法，特别涉及一种在建筑结构耐火试验中使用非接触式的位移测量装置及方法。通过超声波信号的发射和接收，配合专门的波速测量装置，实现了测点空间位移相关数据的采集；计算机按照空间坐标求解公式和波速计算公式对采集的数据进行计算，求得测点的空间坐标和空间位移。本发明突破了目前基于物理接触的单维度位移测量方式，实现了非接触、不需无障碍物和三维空间位移测量，在建筑结构耐火试验的位移测量中具有很重要的创新意义和实用价值。装置结构稳定、原理清晰，计算方法简单易行，具备良好的可操作性。

Description

一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置及方法，特别涉及一种在建筑结构耐火试验中使用非接触式的位移测量装置及方法。
背景技术
现有的测点位移采集方式，一般是使用拉线或拉杆位移传感器，通过钢丝绳或硬性连接与测点相连，对测点的位移进行单维度的测量；即便是使用多个位移传感器和空间位移计算方法实现了三维空间的位移测量，也无法避免测点与位移传感器之间直接物理连接。而使用激光测距等方式，虽然可以非接触测量，但是要求测点与测量仪器之间没有遮挡。对于建筑结构耐火试验，往往需要测试结构内部的位移，或者整个结构放置在密封的高温试验装置中进行测试，这时通过钢丝绳等物理连接无法连接位移传感器和测点；而使用激光测距也无法穿透障碍，因而目前的位移测量方式无法满足建筑结构耐火试验的要求；尤其随着公安部天津消防研究所承担的公安部重点课题、目前建造中的世界最大规模的“建筑结构组合耐火性能试验装置”的即将完工，亟需一种非接触方式的位移测量方式。
发明内容
鉴于现有位移测量装置存在的不足，本专利提供一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置及方法。通过超声波信号的发射和接收，配合测点空间位移测量装置，实现了测点空间位移相关数据的采集；计算机按照空间坐标求解公式和波速计算公式对采集的数据进行计算，求得测点的空间坐标和空间位移。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置，包括计算机，其特征在于：还包括支架、超声波空间位移测量部分、波速测量部分和接收转换部分；所述超声波空间位移测量部分，包括超声波发射模块、超声波接收主模块、超声波接收器I、超声波接收器III；所述波速测量部分，包括波速测量模块，所述波速测量模块包括波速测量模块接收端、波速测量模块发射端；所述接收转换部分，包括数据接收器天线、数字信号转换模块和USB接口；所述超声波接收主模块分别与超声波接收器I、超声波接收器III连接，超声波接收主模块、超声波接收器I、超声波接收器III分别固定在支架上，超声波接收主模块与超声波接收器I和超声波接收器III构成等边直角三角形，超声波接收主模块设置在直角点处；波速测量模块发射端与波速测量模块接收端连接，波速测量模块发射端设置在支架底端；所述数字信号转换模块分别与数据接收器天线、USB接口连接；所述超声波发射模块包括超声波发射器I、超声波发射模块信号处理器、无线电发射器、超声波发射模块天线、电源II，所述超声波发射模块信号处理器分别与超声波发射器I无线电发射器、电源II连接，无线电发射器与超声波发射模块天线连接；
所述超声波接收主模块包括超声波接收器II、超声波接收模块信号处理器、无线电发射器、超声波接收模块天线、电源I，所述超声波接收模块信号处理器分别与超声波接收器II、无线电发射器和电源I连接，无线电发射器与超声波接收模块天线连接；
所述波速测量模块接收端包括超声波接收器IV、超声波信号处理器、电源III、无线电发射器、波速测量模块天线，所述超声波信号处理器分别与超声波接收器IV、电源III、无线电发射器连接，无线电发射器与波速测量模块天线连接；
所述波速测量模块发射端包括超声波发射器II、超声波发射控制器，超声波发射器II与超声波发射控制器连接。
一种基于超声波原理的测点空间位移测量的方法，其特征在于：步骤如下，
超声波空间位移测量部分用于测量测点空间位置，超声波发射模块中的超声波发射模块信号处理器向超声波发射器I发出指令，发射超声波信号，同时超声波发射模块信号处理器向无线电发射器发出指令，通过超声波发射模块天线发出无线电信号；超声波接收器I和超声波接收器III，以及超声波接收主模块中的超声波接收器II接收超声波发射模块中的超声波发射器发出的超声波信号，并将各自接收到的时间发送到超声波接收模块信号处理器中；同时超声波接收主模块中的无线电发射器，接收通过超声波接收模块天线接收到的、由超声波发射模块中无线电发射器发出的无线电信号，并传送到超声波接收模块信号处理器中，超声波接收模块信号处理器将所有收集的信号进行处理，并通过无线电发射器发射；
波速测量部分用于测量超声波实时波速相关数据，超声波发射模块的超声波信号处理器发出发射超声波的指令，传输到超声波发射控制器，再控制超声波发射器II发射超声波信号；超声波接收器IV接收超声波发射器发出的超声波信号，并将接收时间发送给超声波信号处理器中；超声波信号处理器将信号处理，并将波速相关的实时数据通过无线电发射器经由波速测量模块天线发出；
接收转换部分用于接收其他部分发出的无线电信号，并将信号转换成数字信号传输到计算机中，数据接收器天线接收来自超声波发射模块、超声波接收主模块和波速测量模块发出的无线电信号，对信号进行区分，并转换成数字信号，通过USB接口与计算机相连；
计算机对数据进行读取，并通过空间坐标计算公式求得测点的空间坐标，通过测点的实时空间坐标测量测点在空间的位移情况，具体求解过程如下：
首先将超声波发射模块固定在测点上，当测量开始时固定测点不动，进入初始位置测量程序；按照多次测量取平均值的方法，对测点坐标进行20次测量，剔除无效测点后确定有效测点初始位置；建筑结构耐火试验开始后，对测点进行实时测量，为了尽可能降低误差，采取多次测量取平均值方法，在2s内对测点坐标进行5次测量，剔除无效测点后确定此时刻测点的位置；将初始位置和实时位置进行坐标计算，即可求得此时刻的测点位移；将数据进行保存，并继续测量下一时刻的测点坐标，直至测量过程结束；
超声波速度v计算方法和公式如下：
设超声波发射器II与超声波接收器IV之间的距离为L，超声波发射器II发射超声波的时间为ta，超声波接收器IV接收到超声波信号的时间为tb；直接量取L，忽略电信号传播时间，则此时刻超声波的速度vt可以按照以下公式计算：
v t = L t b - t a - - - ( 1 )
测点空间坐标及位移求解公式如下：
建立空间直角坐标系，超声波接收器I位于z轴，超声波接收器III位于x轴，超声波接收主模块在原点；设超声波接收器I、超声波接收主模块和超声波接收器III形成的等边直角三角形直角边长为b，超声波信号接收器I位置坐标为0,0,b，接到超声波信号的时间为t1；超声波接收主模块位置坐标为0,0,0，接收到超声波信号的时间为t2，接收到无线电信号的时间为t0；超声波信号接收器III位置坐标为b,0,0，接到超声波信号的时间为t3；此时超声波的波速为v，超声波发射模块的坐标为x,y,z，则有如下方程组：
x2+y2+z2＝[v(t2-t0)]2
(x-b)2+y2+z2＝[v(t3-t0)]2
x2+y2+(z-b)2＝[v(t1-t0)]2----------------------(2)
当超声波发射模块发生移动时，坐标为x`,y`,z`，此时超声波波速为v`；超声波信号接收器I接到超声波信号的时间为t1`；超声波接收主模块接收到超声波信号的时间为t2`，接收到无线电信号的时间为t0`；超声波信号接收器III接到超声波信号的时间为t3`；则有如下方程组：
x`2+y`2+z`2＝[v`(t2`-t0`)]2
(x`-b)2+y`2+z`2＝[v`(t3`-t0`)]2
x`2+y`2+(z`-b)2＝[v`(t1`-t0`)]2----------------------(3)
通过方程(1)求得实时波速，并对方程组(2)、(3)进行求解，分别求解出x,y,z和x`,y`,z`，则测点在X轴、Y轴和Z轴的位移变量分别为Δx、Δy、Δz，测点在空间的位移距离为Δs，可通过如下方程组计算：
Δx＝x`-x
Δy＝y`-y
Δz＝z`-z
Δ s = ( x ` - x ) 2 + ( y ` - y ) 2 + ( z ` - z ) 2 - - - ( 4 )
在实际操作中，由于本发明主要面向对建筑构件耐火试验试件背火面测点位移测量，因此依据GB/T9978-2008《建筑构件耐火试验方法》系列标准的要求，需对整个测量过程中方程组(2)和(3)求解的测点坐标进行坐标变换，将原点坐标从超声波接收主模块变换到测点初始坐标上；假定测点初始坐标为x0,y0,z0,测点在t时刻测得的坐标为xt,yt,zt,则在t时刻坐标变换后的坐标xT,yT,zT可按照下面的方程组计算：
xT＝xt-x0
yT＝yt-y0
zT＝zt-z0----------------------(5)
按照方程组(4)和(5)即可求出测点的各方向位移分量和总位移距离。
本发明的有益效果是：本专利提供一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置及方法。该装置通过固定在测点的超声波发射模块和固定在支架上的三个超声波接收器，以及波速测量模块，并配套相应的接收装置，实现对测点和三个超声波接收器之间距离的测量和实时波速的测量和接收，在超声波发射模块与支架平面的距离为1m和2m时，测量的稳定性和精度最高，可以达到1mm。
通过数据转换和USB接口将测量数据与计算机相连接，按照方法给定的空间坐标求解公式和位移计算公式，即可求得测点的空间位移，实现了建筑结构耐火试验现场测点的三维位移。本发明突破了目前基于物理接触的单维度位移测量方式，实现了非接触、不需无障碍物和三维空间位移测量，在建筑结构耐火试验的位移测量中具有很重要的创新意义和实用价值。采用本发明可以解决建筑结构耐火试验的位移测量问题，装置结构稳定、原理清晰，计算方法简单易行，具备良好的可操作性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的超声波接收主模块示意图；
图3是本发明的超声波发送模块示意图；
图4是本发明的波速测量模块示意图；
图5是本发明的求解方法过程示意图；
图6是本发明的系统流程图；
图7是本发明1m时XOY平面测点投影图；
图8是本发明1m时XOZ平面测点投影图；
图9是本发明2m时XOY平面测点投影图；
图10是本发明2m时XOZ平面测点投影图；
图11是本发明3m时XOY平面测点投影图；
图12是本发明3m时XOZ平面测点投影图。
具体实施方式
为了更清楚理解本发明，以下结合附图详细描述。
如图1至图4所示，一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置，包括计算机2，还包括支架1、超声波空间位移测量部分、波速测量部分和接收转换部分。
超声波空间位移测量部分，包括超声波发射模块3、超声波接收主模块4、超声波接收器I5、超声波接收器III6。
波速测量部分，包括波速测量模块7，所述波速测量模块7包括波速测量模块接收端7-1、波速测量模块发射端7-2。
接收转换部分，包括数据接收器天线8、数字信号转换模块9和USB接口10。
超声波接收主模块4分别与超声波接收器I5、超声波接收器III6连接，超声波接收主模块4、超声波接收器I5、超声波接收器III6分别固定在支架1上，超声波接收主模块4与超声波接收器I5和超声波接收器III6构成等边直角三角形，超声波接收主模块4设置在直角点处。
波速测量模块发射端7-2与波速测量模块接收端7-1连接，波速测量模块发射端7-2设置在支架1底部。
所述数字信号转换模块9分别与数据接收器天线8、USB接口10连接。
超声波发射模块3包括超声波发射器I3-1、超声波发射模块信号处理器3-2、无线电发射器3-3、超声波发射模块天线3-4、电源II3-5，所述超声波发射模块信号处理器3-2分别与超声波发射器3-1无线电发射器3-3、电源II3-5连接，无线电发射器3-3与超声波发射模块天线3-4连接。
超声波接收主模块4包括超声波接收器II4-1、超声波接收模块信号处理器4-2、无线电发射器4-3、超声波接收模块天线4-4、电源I4-5，所述超声波接收模块信号处理器4-2分别与超声波接收器II4-1、无线电发射器4-3和电源I4-5连接，无线电发射器4-3与超声波接收模块天线4-4连接。
波速测量模块接收端7-1包括超声波接收器IV7-1-1、超声波信号处理器7-1-2、电源III7-1-3、无线电发射器7-1-4、波速测量模块天线7-1-5，所述超声波信号处理器7-1-2分别与超声波接收器IV7-1-1、电源III7-1-3、无线电发射器7-1-4连接，无线电发射器7-1-4与波速测量模块天线7-1-5连接。
波速测量模块发射端7-2包括超声波发射器II7-2-1、超声波发射控制器7-2-2，超声波发射器II7-2-1与超声波发射控制器7-2-2连接。
如图5、6所示，一种基于超声波原理的测点空间位移测量的方法，步骤如下：
超声波空间位移测量部分用于测量测点空间位置，超声波发射模块3中的超声波发射模块信号处理器3-2向超声波发射器I3-1发出指令，发射超声波信号，同时超声波发射模块信号处理器3-2向无线电发射器3-3发出指令，通过超声波发射模块天线3-4发出无线电信号；超声波接收器I5和超声波接收器III6，以及超声波接收主模块4中的超声波接收器II4-1接收超声波发射模块3中的超声波发射器3-1发出的超声波信号，并将各自接收到的时间发送到超声波接收模块信号处理器4-2中；同时超声波接收主模块4中的无线电发射器4-3，接收通过超声波接收模块天线4-4接收到的、由超声波发射模块3中无线电发射器3-3发出的无线电信号，并传送到超声波接收模块信号处理器4-2中，超声波接收模块信号处理器4-2将所有收集的信号进行处理，并通过无线电发射器4-3发射；
波速测量部分用于测量超声波实时波速相关数据，超声波发射模块7的超声波信号处理器7-1-2发出发射超声波的指令，传输到超声波发射控制器7-2-2，再控制超声波发射器II7-2-1发射超声波信号；超声波接收器IV7-1-1接收超声波发射器7-2-1发出的超声波信号，并将接收时间发送给超声波信号处理器7-1-2中；超声波信号处理器7-1-2将信号处理，并将波速相关的实时数据通过无线电发射器7-1-4经由波速测量模块天线7-1-5发出；
接收转换部分用于接收其他部分发出的无线电信号，并将信号转换成数字信号传输到计算机中，数据接收器天线8接收来自超声波发射模块3、超声波接收主模块4和波速测量模块7发出的无线电信号，对信号进行区分，并转换成数字信号，通过USB接口10与计算机相连；
计算机2对数据进行读取，并通过空间坐标计算公式求得测点的空间坐标，通过测点的实时空间坐标测量测点在空间的位移情况，具体求解过程如下：
首先将超声波发射模块3固定在测点上，当测量开始时固定测点不动，进入初始位置测量程序；按照多次测量取平均值的方法，对测点坐标进行20次测量，剔除无效测点后确定有效测点初始位置；建筑结构耐火试验开始后，对测点进行实时测量，为了尽可能降低误差，采取多次测量取平均值方法，在2s内对测点坐标进行5次测量，剔除无效测点后确定此时刻测点的位置；将初始位置和实时位置进行坐标计算，即可求得此时刻的测点位移；将数据进行保存，并继续测量下一时刻的测点坐标，直至测量过程结束；
超声波速度v计算方法和公式如下：
设超声波发射器II7-2-1与超声波接收器IV7-1-1之间的距离为L，超声波发射器II7-2-1发射超声波的时间为ta，超声波接收器IV7-1-1接收到超声波信号的时间为tb；直接量取L，忽略电信号传播时间，则此时刻超声波的速度vt可以按照以下公式计算：
v t = L t b - t a - - - ( 1 )
测点空间坐标及位移求解公式如下：
建立空间直角坐标系，超声波接收器I5位于z轴，超声波接收器III6位于x轴，超声波接收主模块4在原点；设超声波接收器I5、超声波接收主模块4和超声波接收器III6形成的等边直角三角形直角边长为b，超声波信号接收器I3位置坐标为0,0,b，接到超声波信号的时间为t1；超声波接收主模块4位置坐标为0,0,0，接收到超声波信号的时间为t2，接收到无线电信号的时间为t0；超声波信号接收器III6位置坐标为b,0,0，接到超声波信号的时间为t3；此时超声波的波速为v，超声波发射模块3的坐标为x,y,z，则有如下方程组：
x2+y2+z2＝[v(t2-t0)]2
(x-b)2+y2+z2＝[v(t3-t0)]2
x2+y2+(z-b)2＝[v(t1-t0)]2----------------------(2)
当超声波发射模块3发生移动时，坐标为x`,y`,z`，此时超声波波速为v`；超声波信号接收器I5接到超声波信号的时间为t1`；超声波接收主模4块接收到超声波信号的时间为t2`，接收到无线电信号的时间为t0`；超声波信号接收器III6接到超声波信号的时间为t3`；则有如下方程组：
x`2+y`2+z`2＝[v`(t2`-t0`)]2
(x`-b)2+y`2+z`2＝[v`(t3`-t0`)]2
x`2+y`2+(z`-b)2＝[v`(t1`-t0`)]2----------------------(3)
通过方程(1)求得实时波速，并对方程组(2)、(3)进行求解，分别求解出x,y,z和x`,y`,z`，则测点在X轴、Y轴和Z轴的位移变量分别为Δx、Δy、Δz，测点在空间的位移距离为Δs，可通过如下方程组计算：
Δx＝x`-x
Δy＝y`-y
Δz＝z`-z
Δ s = ( x ` - x ) 2 + ( y ` - y ) 2 + ( z ` - z ) 2 - - - ( 4 )
在实际操作中，由于本发明主要面向对建筑构件耐火试验试件背火面测点位移测量，因此依据GB/T9978-2008《建筑构件耐火试验方法》系列标准的要求，需对整个测量过程中方程组(2)和(3)求解的测点坐标进行坐标变换，将原点坐标从超声波接收主模块4变换到测点初始坐标上；假定测点初始坐标为x0,y0,z0,测点在t时刻测得的坐标为xt,yt,zt,则在t时刻坐标变换后的坐标xT,yT,zT可按照下面的方程组计算：
xT＝xt-x0
yT＝yt-y0
zT＝zt-z0----------------------(5)
按照方程组(4)和(5)即可求出测点的各方向位移分量和总位移距离。
依据上述实施方法，对本发明试制的装置和推导的求解公式进行实测试验：
试验环境温度为5℃，环境湿度为28％，试验过程中最高环境噪音为98dB，最低环境噪音为79dB。
测试方法为：将支架1放置在场馆内的指定位置，确保试验过程中1的位置不发生任何变化；将超声波发射模块3放置在面对支架1、距地面高为1.2m的平面上，确保除非人为移动，超声波发射模块3不会发生任何偏转、移动或震动；将波速测量模块发射端7-2固定在支架1的底部中间位置，将波速测量模块接收端7-1放置在与超声波发射模块3相近的位置；将计算机2放置在装置附近。分别选取超声波发射模块3距离安装在支架1上的超声波接收主模块(4)、超声波接收器I5和超声波接收器III6三个点形成的平面(以下简称“支架平面”)垂直距离分别为大致1m、2m和3m的位置，分别保持超声波发射模块3不动，通过长时间反复测量，观测试验结果是否稳定以及测量的系统误差范围。
因为相关标准的要求，结合建筑结构耐火测试的习惯，测得超声波发射模块3的空间位置坐标按照方程组5进行坐标轴换算，将超声波发射模块3的空间坐标换算成0，0，0，测试系统及计算方法的“零点漂移”情况。
当超声波发射模块3距离支架平面为1m时，打开系统各装置开关，打开计算机配套计算软件，求得测点的位置坐标如下表所示：
序号 X坐标(mm) Y坐标(mm) Z坐标(mm)
理论值 0 0 0
1 -0.42 1.58 0.4
2 -0.3 0.79 0.39
3 -0.14 1.19 0.2
4 -0.06 0.79 -0.39
5 -0.33 0.59 0
6 -0.34 0.99 0
7 0.1 0.2 0
8 -0.08 0.2 0.59
9 -0.64 1.78 0.59
10 -0.25 0.79 0.59
11 0.09 0.8 0.21
12 -0.07 0.4 0.4
13 -0.58 1.78 0.39
14 -0.34 0.39 0.19
15 0.09 0 0.6
16 -0.35 1.19 0.2
17 -0.34 0.79 0.19
18 -0.35 1.38 0
19 -0.73 1.57 -0.017 -->
20 -0.78 1.77 -0.01
21 -0.56 1.58 -0.2
22 -0.52 1.78 0.2
23 -0.36 1.19 0.59
24 -0.14 1.58 0.21
25 -0.3 0.59 0.59
26 -0.58 1.78 0.39
27 -0.19 1.39 0.2
28 -0.84 1.77 0.19
29 -0.15 1.39 0.4
30 -0.34 1.38 -0.39
31 -0.62 1.58 0
32 -0.61 1.57 -0.4
当超声波发射模块3距离支架平面为2m时，打开系统各装置开关，打开计算机配套计算软件，求得测点的位置坐标如下表所示：
序号 X坐标(mm) Y坐标(mm) Z坐标(mm)
理论值 0 0 0
1 -0.05 0.35 0.89
2 -0.21 0 0.89
3 -0.17 -0.35 0.89
4 -0.13 -0.71 0.89
5 -0.29 1.07 0.54
6 -0.29 1.07 0.54
7 -0.25 0.72 0.54
8 -0.31 0.36 0.54
9 -0.31 0.36 0.54
10 -0.17 0 0.54
11 -0.17 0 0.54
12 -0.23 -0.35 0.54
13 -0.09 -0.71 0.54
14 -0.04 -1.07 0.54
15 -0.09 1.07 0.53
16 0.16 0.71 0.53
17 -0.15 0.71 0.53
18 -0.11 0.36 0.53
19 -0.07 0 0.53
20 -0.25 1.07 0.188 -->
21 -0.06 0.36 0.18
22 -0.17 0.36 0.18
23 -0.27 0.36 0.18
24 -0.12 0 0.18
25 -0.29 -0.35 0.18
26 0.12 -0.36 0.18
27 0.18 -0.01 0.17
28 -0.27 0.72 -0.17
29 -0.33 0.36 -0.17
30 -0.18 0.01 -0.17
31 -0.08 0 -0.18
32 0 -0.71 -0.18
当超声波发射模块3距离支架平面为3m时，打开系统各装置开关，打开计算机配套计算软件，求得测点的位置坐标如下表所示：
序号 X坐标(mm) Y坐标(mm) Z坐标(mm)
理论值 0 0 0
1 -0.13 3.7 -0.26
2 -0.35 3.69 3.94
3 0.07 3.69 -0.26
4 0.12 3.69 1.32
5 0.48 3.68 -0.26
6 0.56 3.67 2.9
7 -0.18 3.18 -3.42
8 0.3 3.15 2.9
9 -0.27 2.64 2.89
10 0.3 2.63 0.27
11 -0.18 2.11 3.42
12 -0.08 2.11 3.42
13 -0.37 1.6 -2.37
14 -0.22 1.59 -1.84
15 0.12 1.58 0.79
16 0.73 1.56 0.79
17 -0.18 1.07 -2.89
18 0.04 1.05 3.95
19 0.16 0.53 -1.84
20 0.34 0.52 1.32
21 0.23 0.51 4.479 -->
22 0.54 -0.01 -0.26
23 0.14 -0.52 -3.94
24 0.16 -0.54 1.84
25 0.21 -0.54 2.37
26 0.22 -0.54 1.32
27 0.46 -1.07 0.26
28 -0.68 -1.57 2.89
29 0.12 -1.57 -5
30 0.56 -1.59 -2.36
31 0.61 -1.59 -1.84
32 0.58 -1.61 3.42
将上述测试数据按照超声波发射模块3与支架平面的距离，分别绘制测量数据XOY平面和XOZ平面的空间点投影，见图7至图12所示。
通过上面的数据列表和图7至图12的投影图可以看出，本发明是可以测量测点的空间坐标的，系统各装置、计算公式和求解理论合理可行。同时可以看出，在超声波发射模块3与支架平面的距离为1m和2m时，测量的稳定性和精度最高，可以达到1mm左右；在超声波发射模块3与支架平面距离为3m时，受限于计算公式导致的误差放大，以及超声波本身的传播特性，导致Y轴和Z轴方向的测量精度降低到5mm左右，不过X轴方向仍然可以保持较高精度。
根据上述说明和实测试验，结合本行业实际情况可实现本发明方案。

Claims (2)

1.一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置，包括计算机(2)，其特征在于：还包括支架(1)、超声波空间位移测量部分、波速测量部分和接收转换部分；所述超声波空间位移测量部分，包括超声波发射模块(3)、超声波接收主模块(4)、超声波接收器I(5)、超声波接收器III(6)；所述波速测量部分，包括波速测量模块(7)，所述波速测量模块(7)包括波速测量模块接收端(7-1)、波速测量模块发射端(7-2)；所述接收转换部分，包括数据接收器天线(8)、数字信号转换模块(9)和USB接口(10)；所述超声波接收主模块(4)分别与超声波接收器I(5)、超声波接收器III(6)连接，超声波接收主模块(4)、超声波接收器I(5)、超声波接收器III(6)分别固定在支架(1)上，超声波接收主模块(4)与超声波接收器I(5)和超声波接收器III(6)构成等边直角三角形，超声波接收主模块(4)设置在直角点处；波速测量模块发射端(7-2)与波速测量模块接收端(7-1)连接，波速测量模块发射端(7-2)设置在支架(1)底端；所述数字信号转换模块(9)分别与数据接收器天线(8)、USB接口(10)连接；所述超声波发射模块(3)包括超声波发射器I(3-1)、超声波发射模块信号处理器(3-2)、无线电发射器(3-3)、超声波发射模块天线(3-4)、电源II(3-5)，所述超声波发射模块信号处理器(3-2)分别与超声波发射器I(3-1)无线电发射器(3-3)、电源II(3-5)连接，无线电发射器(3-3)与超声波发射模块天线(3-4)连接；
所述超声波接收主模块(4)包括超声波接收器II(4-1)、超声波接收模块信号处理器(4-2)、无线电发射器(4-3)、超声波接收模块天线(4-4)、电源I(4-5)，所述超声波接收模块信号处理器(4-2)分别与超声波接收器II(4-1)、无线电发射器(4-3)和电源I(4-5)连接，无线电发射器(4-3)与超声波接收模块天线(4-4)连接；
所述波速测量模块接收端(7-1)包括超声波接收器IV(7-1-1)、超声波信号处理器(7-1-2)、电源III(7-1-3)、无线电发射器(7-1-4)、波速测量模块天线(7-1-5)，所述超声波信号处理器(7-1-2)分别与超声波接收器IV(7-1-1)、电源III(7-1-3)、无线电发射器(7-1-4)连接，无线电发射器(7-1-4)与波速测量模块天线(7-1-5)连接；
所述波速测量模块发射端(7-2)包括超声波发射器II(7-2-1)、超声波发射控制器(7-2-2)，超声波发射器II(7-2-1)与超声波发射控制器(7-2-2)连接。
2.一种基于超声波原理的测点空间位移测量的方法，其特征在于：步骤如下，
超声波空间位移测量部分用于测量测点空间位置，超声波发射模块(3)中的超声波发射模块信号处理器(3-2)向超声波发射器I(3-1)发出指令，发射超声波信号，同时超声波发射模块信号处理器(3-2)向无线电发射器(3-3)发出指令，通过超声波发射模块天线(3-4)发出无线电信号；超声波接收器I(5)和超声波接收器III(6)，以及超声波接收主模块(4)中的超声波接收器II(4-1)接收超声波发射模块(3)中的超声波发射器(3-1)发出的超声波信号，并将各自接收到的时间发送到超声波接收模块信号处理器(4-2)中；同时超声波接收主模块(4)中的无线电发射器(4-3)，接收通过超声波接收模块天线(4-4)接收到的、由超声波发射模块(3)中无线电发射器(3-3)发出的无线电信号，并传送到超声波接收模块信号处理器(4-2)中，超声波接收模块信号处理器(4-2)将所有收集的信号进行处理，并通过无线电发射器(4-3)发射；
波速测量部分用于测量超声波实时波速相关数据，超声波发射模块(7)的超声波信号处理器(7-1-2)发出发射超声波的指令，传输到超声波发射控制器(7-2-2)，再控制超声波发射器II(7-2-1)发射超声波信号；超声波接收器IV(7-1-1)接收超声波发射器(7-2-1)发出的超声波信号，并将接收时间发送给超声波信号处理器(7-1-2)中；超声波信号处理器(7-1-2)将信号处理，并将波速相关的实时数据通过无线电发射器(7-1-4)经由波速测量模块天线(7-1-5)发出；
接收转换部分用于接收其他部分发出的无线电信号，并将信号转换成数字信号传输到计算机中，数据接收器天线(8)接收来自超声波发射模块(3)、超声波接收主模块(4)和波速测量模块(7)发出的无线电信号，对信号进行区分，并转换成数字信号，通过USB接口(10)与计算机相连；
计算机(2)对数据进行读取，并通过空间坐标计算公式求得测点的空间坐标，通过测点的实时空间坐标测量测点在空间的位移情况，具体求解过程如下：
首先将超声波发射模块(3)固定在测点上，当测量开始时固定测点不动，进入初始位置测量程序；按照多次测量取平均值的方法，对测点坐标进行20次测量，剔除无效测点后确定有效测点初始位置；建筑结构耐火试验开始后，对测点进行实时测量，为了尽可能降低误差，采取多次测量取平均值方法，在2s内对测点坐标进行5次测量，剔除无效测点后确定此时刻测点的位置；将初始位置和实时位置进行坐标计算，即可求得此时刻的测点位移；将数据进行保存，并继续测量下一时刻的测点坐标，直至测量过程结束；
超声波速度v计算方法和公式如下：
设超声波发射器II(7-2-1)与超声波接收器IV(7-1-1)之间的距离为L，超声波发射器II(7-2-1)发射超声波的时间为ta，超声波接收器IV(7-1-1)接收到超声波信号的时间为tb；直接量取L，忽略电信号传播时间，则此时刻超声波的速度vt可以按照以下公式计算：
v t = L t b - t a - - - ( 1 )
测点空间坐标及位移求解公式如下：
建立空间直角坐标系，超声波接收器I(5)位于z轴，超声波接收器III(6)位于x轴，超声波接收主模块(4)在原点；设超声波接收器I(5)、超声波接收主模块(4)和超声波接收器III(6)形成的等边直角三角形直角边长为b，超声波信号接收器I(3)位置坐标为0,0,b，接到超声波信号的时间为t1；超声波接收主模块(4)位置坐标为0,0,0，接收到超声波信号的时间为t2，接收到无线电信号的时间为t0；超声波信号接收器III(6)位置坐标为b,0,0，接到超声波信号的时间为t3；此时超声波的波速为v，超声波发射模块(3)的坐标为x,y,z，则有如下方程组：
x2+y2+z2＝[v(t2-t0)]2
(x-b)2+y2+z2＝[v(t3-t0)]2
x2+y2+(z-b)2＝[v(t1-t0)]2----------------------(2)
当超声波发射模块(3)发生移动时，坐标为x`,y`,z`，此时超声波波速为v`；超声波信号接收器I(5)接到超声波信号的时间为t1`；超声波接收主模(4)块接收到超声波信号的时间为t2`，接收到无线电信号的时间为t0`；超声波信号接收器III(6)接到超声波信号的时间为t3`；则有如下方程组：
x`2+y`2+z`2＝[v`(t2`-t0`)]2
(x`-b)2+y`2+z`2＝[v`(t3`-t0`)]2
x`2+y`2+(z`-b)2＝[v`(t1`-t0`)]2----------------------(3)
通过方程(1)求得实时波速，并对方程组(2)、(3)进行求解，分别求解出x,y,z和x`,y`,z`，则测点在X轴、Y轴和Z轴的位移变量分别为Δx、Δy、Δz，测点在空间的位移距离为Δs，可通过如下方程组计算：
Δx＝x`-x
Δy＝y`-y
Δz＝z`-z
Δs = ( x ` - x ) 2 + ( y ` - y ) 2 + ( z ` - z ) 2 - - - ( 4 )
在实际操作中，由于本发明主要面向对建筑构件耐火试验试件背火面测点位移测量，因此依据GB/T9978-2008《建筑构件耐火试验方法》系列标准的要求，需对整个测量过程中方程组(2)和(3)求解的测点坐标进行坐标变换，将原点坐标从超声波接收主模块(4)变
换到测点初始坐标上；假定测点初始坐标为x0,y0,z0,测点在t时刻测得的坐标为xt,yt,zt,则在t时刻坐标变换后的坐标xT,yT,zT可按照下面的方程组计算：
xT＝xt-x0
yT＝yt-y0
zT＝zt-z0----------------------(5)
按照方程组(4)和(5)即可求出测点的各方向位移分量和总位移距离。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105865612A (zh) * 2016-05-17 2016-08-17 西安交通大学 一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统及方法
CN107121100A (zh) * 2017-04-14 2017-09-01 华北科技学院 一种煤层内部煤体蠕变的监测方法
CN110954060A (zh) * 2019-12-18 2020-04-03 武汉理工大学 地铁隧道收敛变形监测系统及方法
CN111102946A (zh) * 2019-12-18 2020-05-05 湖北省电力勘测设计院有限公司 基于超声波的隧道变形监测方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0850177A (ja) * 1994-08-05 1996-02-20 Chubu Electric Power Co Inc 超音波式距離測定装置
CN1988550A (zh) * 2005-12-21 2007-06-27 中国科学院电子学研究所 一种无线传感器网络无锚点定位的分布式实现方法
CN102033222A (zh) * 2010-11-17 2011-04-27 吉林大学 大范围多目标超声跟踪定位系统和方法
CN102981144A (zh) * 2012-11-21 2013-03-20 西安电子科技大学 空中运动平台对目标的三维无源定位方法
JP2013096815A (ja) * 2011-10-31 2013-05-20 Railway Technical Research Institute 地中変位測定装置
CN105093181A (zh) * 2015-09-25 2015-11-25 吴云松 超声波三维定位系统及其定位方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0850177A (ja) * 1994-08-05 1996-02-20 Chubu Electric Power Co Inc 超音波式距離測定装置
CN1988550A (zh) * 2005-12-21 2007-06-27 中国科学院电子学研究所 一种无线传感器网络无锚点定位的分布式实现方法
CN102033222A (zh) * 2010-11-17 2011-04-27 吉林大学 大范围多目标超声跟踪定位系统和方法
JP2013096815A (ja) * 2011-10-31 2013-05-20 Railway Technical Research Institute 地中変位測定装置
CN102981144A (zh) * 2012-11-21 2013-03-20 西安电子科技大学 空中运动平台对目标的三维无源定位方法
CN105093181A (zh) * 2015-09-25 2015-11-25 吴云松 超声波三维定位系统及其定位方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王敬东 等: "基于ZigBee技术的TDOA定位系统设计", 《测控技术》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105865612A (zh) * 2016-05-17 2016-08-17 西安交通大学 一种基于超声换能器的输电线路舞动轨迹监测系统及方法
CN107121100A (zh) * 2017-04-14 2017-09-01 华北科技学院 一种煤层内部煤体蠕变的监测方法
CN110954060A (zh) * 2019-12-18 2020-04-03 武汉理工大学 地铁隧道收敛变形监测系统及方法
CN111102946A (zh) * 2019-12-18 2020-05-05 湖北省电力勘测设计院有限公司 基于超声波的隧道变形监测方法
CN110954060B (zh) * 2019-12-18 2020-11-03 武汉理工大学 地铁隧道收敛变形监测系统及方法

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