CN106768297A - 一种全自动超声波指向性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动超声波指向性测试系统，包括安装在第一支架上的测试装置，和安装在第二支架上的声音强度检测设备，测试装置上安装有超声波传感器，测试装置包括用于水平转动的步进电机和用于垂直转动的舵机，声音强度检测设备连接上位机，超声波传感器由超声波传感器驱动电路驱动，超声波传感器驱动电路由与上位机连接的主控制电路控制，主控制电路控制步进电机水平转动和舵机垂直转动，上位机用于控制测试装置的转动速度和角度、显示测试状态，并保存测试数据。操作简单、可靠性高，通过上位机软件对探头位置进行校准后便可进行测试，通过excel模板对数据进行分析，得出超声波探头的指向性曲线和响应特性曲线。

Description

一种全自动超声波指向性测试系统

技术领域

本发明属于超声波指向性测试技术领域，具体地涉及一种全自动超声波指向性测试系统。

背景技术

超声波由于其良好的指向性，可被广泛适用于海洋探测与开发、无损检测与评估、医学诊断、倒车雷达等应用领域。

超声波的指向性，即传感器在探测空间中各角度上的声强级别，决定了超声波传感器的探测范围，是超声波传感器最重要的性能指标之一。指向性测试是评估一个传感器性能的必需环节。一般测量方法操作复杂，安装不方便，替换性差，可信赖度差，效率低。

申请号为2015101491310的中国发明专利公开了一种超声波指向性测试系统。超声波传感器安装在云台上，所述云台安装在支架上，声音强度检测设备安装在另一支架上，所述声音强度检测设备检测到的超声波信号强度发送给主控制电路，所述超声波传感器由超声波传感器驱动电路驱动；所述主控制电路用于控制超声波传感器驱动电路，驱动云台工作，接收声音强度检测设备的检测数据，然后将数据打包，采用串口和PC进行数据交互，获取指令，上传数据；所述PC用于设置云台参数和处理超声波指向性测试数据。通过对测试空间中各角度下超声波的强度进行测量，解算出超声波传感器的横向和垂直探测范围，构建3D空间测量范围，并自动建立数据档案，便于以后的数据分析和提取。其测试过程是将声音强度发送给主控制电路，再将数据打包与PC交互，过程较为繁琐，实时性差。水平角度由第二舵机和第三舵机接力才能实现360°转角，这对舵机性能要求极为严苛、成本高，同时没有检测装置使得测量的数据的可信赖度降低。而且，不能直接得出超声波探头的指向性曲线和响应特性曲线，解出超声波探头的波束角。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种全自动超声波指向性测试系统，操作简单、可靠性高，通过PC上的上位机软件对探头位置进行校准之后便可进行测试，通过excel模板对数据进行分析，得出超声波探头的指向性曲线和响应特性曲线，解出超声波探头的波束角。

本发明的技术方案是：

一种全自动超声波指向性测试系统，包括安装在第一支架上的测试装置，和安装在第二支架上的声音强度检测设备，所述测试装置上安装有超声波传感器，测试装置包括用于水平转动的步进电机和用于垂直转动的舵机，所述声音强度检测设备连接上位机，所述测试装置由主控制电路控制，所述超声波传感器由超声波传感器驱动电路驱动，所述超声波传感器驱动电路由与上位机连接的主控制电路控制，所述主控制电路控制步进电机水平转动和舵机垂直转动，所述上位机用于控制测试装置的转动速度和角度、显示测试状态，并保存测试数据。

优选的，所述主控制电路包括与主控芯片连接的蜂鸣器电路、舵机驱动接口、步进电机驱动接口、传感器驱动电路接口、激光对管驱动与接收端口和串行总线接口。

优选的，所述步进电机带有闭环驱动器，闭环驱动器通过电子齿轮变量定义输入到闭环驱动器的单位脉冲命令控制传动装置移动距离。

优选的，所述测试装置包括机座，所述机座上端安装有挡板，所述超声波传感器安装于挡板，机座中安装有舵机和步进电机，舵机用于控制挡板的竖直转角，步进电机用于控制机座的水平转角。

本发明还公开了一种基于全自动超声波指向性测试系统进行全自动超声波指向性测试的方法，包括以下步骤：

S01：通过上位机软件，配置串口、将超声波传感器的水平角度旋转至180°的位置，校准超声波传感器和声音强度检测设备的相对位置使其中心在同一条直线上；

S02：发送命令设置驱动频率；

S03：选择制作好的excel模板；

S04：竖直转角选择4个典型值0°、30°、60°、90°，每个典型值水平转动360°，每个角度对应一个声压级；主控制器控制步进电机每转动一个角度时通过串行总线发送命令至PC，PC同步地从声压级设备获取当前声压级数据并写入excel表格；

S05：打开excel表格，便可直接得出超声波探头的指向性曲线和响应特性曲线，读出超声波探头的波束角。

优选的，所述上位机设置有提醒功能，当测试完成或者角度出现偏差时，蜂鸣器以不同的鸣叫方式提醒操作人员。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明通过对测试空间中几个典型角度的测试，解算出超声波传感器的指向性曲线和响应特性曲线，解出超声波传感器的波束角。同时也可以绘制出它的3维探测区域。为超声波传感器设计提供数据支持。设置有提醒功能，当测试完成或者角度出现偏差蜂鸣器会以不同的鸣叫方式提醒操作人员。

2.本发明综合了传感器、计算机软硬件、电子通信等技术，实现了全自动化测试，智能提示等功能，可直接得出计算结果并显示，避免了除传感器安装以外的所有人工操作，大大降低了人力成本和节省时间，提高了效率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明全自动超声波指向性测试系统的结构原理图；

图2为本发明测试系统的测试流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。

如图1所示，一种超声波指向性测试系统，超声波传感器安装在指向性测试平台上，指向性测试平台位于支架上，声压级测试麦克风安装于另一支架上。支架用来调节超声波传感器和声音强度检测设备的相对位置，以便测量超声波传感器声波强度的空间分布，这两部分均放置于1.00*1.00*1.00m³的膈音室内。

超声波传感器安装在指向性测试平台上，可通过橡胶圈进行固定，超声波传感器的水平转角由步进电机控制，竖直转角由舵机控制，每个竖直角度对应360°水平角度。超声波传感器由超声波传感器驱动电路驱动，主控制电路控制超声波传感器驱动电路，驱动指向性测试平台上传感器水平和竖直转角。主控制电路将转角信号发送给PC，PC同步从声压级设备获取声压级数据。

主控制电路，主控制电路由以STM32F103RD作为主控芯片的最小核心系统，蜂鸣器电路，舵机驱动接口，步进电机驱动接口，传感器驱动电路接口以及激光对管驱动与接收端口和串行总线接口组成。舵机驱动接口提供地线，5V电源和脉冲信号。步进电机接口体用脉冲输入、方向输入和电机使能输入。串行总线接口用于与PC进行数据交互。

步进电机带有闭环驱动器，驱动器采用电子齿轮变量来定义。通过电子齿轮可以定义输入到驱动器的单位脉冲命令使传动装置移动任意距离，这里设置为3600。即每转动1°需要10个脉冲。

指向性测试平台包含机座、挡板、舵机、步进电机。挡板安装在机座上面，超声波探头安装在挡板上。舵机和步进电机安装在机座中，舵机用于控制挡板的竖直转角，步进电机控制机座的水平转角。安装有激光对管，用于水平位置校准。

超声波驱动电路主要由晶体管、变压器和滤波电路组成，主控制电路设置频率和幅值。PC上位机可通过发送指令FQxx\r\n来设置频率，xx代表数字单位为kHz,xx的范围为10到1000，设置成功返回OK\r\n。

声压级测量设备，声压级测量设备是由麦克风和声压级测量放大器组成，PC和声压级测量设备之间通过串行数据总线进行数据交互，PC在得到主控制电路水平转动的信息时同步发送指令至声压级测量设备以读取声压级数据。

PC的上位机界面软件可以设置电机的转速和转角，配置串口参数，同时显示当前的测试状态，测试完成后保存数据至excel表格。可以设置工作模式，可以一键测试，也可分步测试。分步测试是指每次测试可以测试任意一组竖直角度的指向性数据。

如图2所示，测试流程如下：

1．首先，给步进电机驱动器、传感器驱动电路、主控制电路、声压级测量设备和PC供电。

2．设置好声压级测量设备，在PC端打开上位机软件，配置串口，将探头的水平角度旋转至180°的位置，校准探头和麦克风的相对位置使其中心在同一条直线上。发送FQ68\r\n设置传感器驱动频率。

3.点击OPEN，选择实现制作好的excel模板，选中，点击打开。勾选Test onebutton点击AUTOTEST按钮实现自动测试。

主控制器控制超声波传感器驱动电路工作。同时控制测试平台上探头的水平和竖直转角。竖直转角选择4个典型值0°、30°、60°、90°，每个典型值水平转动360°，每个角度对应一个声压级。主控制器在控制步进电机每转动一个角度时通过串行总线发送命令至PC，PC同步地从声压级设备获取当前声压级数据并写入excel表格。

4.测试全过程持续18分钟左右，当听到蜂鸣器持续鸣叫，说明测试完成，界面也会相应提示“测试完成”、“成功保存数据”对话框。

5.此时打开excel表格，便可直接得出超声波探头的指向性曲线和响应特性曲线，读出超声波探头的波束角。记录最终结果并将源文件归档。

测试过程中如果步进意外出现跳步（闭环控制发生率低），蜂鸣器会发出鸣叫提示操作人员，测试完成后蜂鸣器也会以不同的鸣叫方式提示操作人员测试完成。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种全自动超声波指向性测试系统，包括安装在第一支架上的测试装置，和安装在第二支架上的声音强度检测设备，所述测试装置上安装有超声波传感器，其特征在于，测试装置包括用于水平转动的步进电机和用于垂直转动的舵机，所述声音强度检测设备连接上位机，所述测试装置由主控制电路控制，所述超声波传感器由超声波传感器驱动电路驱动，所述超声波传感器驱动电路由与上位机连接的主控制电路控制，所述主控制电路控制步进电机水平转动和舵机垂直转动，所述上位机用于控制测试装置的转动速度和角度、显示测试状态，并保存测试数据。

2.根据权利要求1所述的全自动超声波指向性测试系统，其特征在于，所述主控制电路包括与主控芯片连接的蜂鸣器电路、舵机驱动接口、步进电机驱动接口、传感器驱动电路接口、激光对管驱动与接收端口和串行总线接口。

3.根据权利要求1所述的全自动超声波指向性测试系统，其特征在于，所述步进电机带有闭环驱动器，闭环驱动器通过电子齿轮变量定义输入到闭环驱动器的单位脉冲命令控制传动装置移动距离。

4.根据权利要求1所述的全自动超声波指向性测试系统，其特征在于，所述测试装置包括机座，所述机座上端安装有挡板，所述超声波传感器安装于挡板，机座中安装有舵机和步进电机，舵机用于控制挡板的竖直转角，步进电机用于控制机座的水平转角。

5.一种使用权利要求1-4任一项所述的全自动超声波指向性测试系统进行全自动超声波指向性测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：通过上位机软件，配置串口、将超声波传感器的水平角度旋转至180°的位置，校准超声波传感器和声音强度检测设备的相对位置使其中心在同一条直线上；

S02：发送命令设置驱动频率；

S03：选择制作好的excel模板；

S04：竖直转角选择4个典型值0°、30°、60°、90°，每个典型值水平转动360°，每个角度对应一个声压级；主控制器控制步进电机每转动一个角度时通过串行总线发送命令至PC，PC同步地从声压级设备获取当前声压级数据并写入excel表格；

S05：打开excel表格，便可直接得出超声波探头的指向性曲线和响应特性曲线，读出超声波探头的波束角。

6.根据权利要求5所述的全自动超声波指向性测试方法，其特征在于，所述上位机设置有提醒功能，当测试完成或者角度出现偏差时，蜂鸣器以不同的鸣叫方式提醒操作人员。