CN107063143A - 一种高精度超声波位移测量系统 - Google Patents

一种高精度超声波位移测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度超声波位移测量系统，包括：超声波发射/接收单元、对接收到的超声波信号进行处理的超声波信号处理单元、触发超声波发射单元第一次发射超声波以及稳定系统输出频率的锁相单元、补偿不同温度值对超声波传播速度的误差的温度补偿单元、输入不同材质下超声波传输速度值的输入单元以及显示测得的位移值的显示单元。本发明把超声波位移的测量转化为频率的测量。经锁相单元的处理，达到消除偶然误差的影响以及减小了回波到达时刻不确定的影响，使系统更稳定，精度更高。

Description

一种高精度超声波位移测量系统
技术领域
本发明涉及一种高精度超声波位移测量系统，属于高精度位移测量领域。
背景技术
超声波是指频率超过20KHZ以上的声波，它主要是利用超声波探头发射超声波同时开始计时，碰到被测物体反射回来停止计时，而超声波在介质中的传播速度已知，只要测得超声波的渡越时间,经过计算就可以得到被测位移。常用的提高超声波测位移精度方法主要有以下几种：
1、增大超声波换能器的发射频率。超声波的频率越高，超声波的方向性越好，信号的沿越陡，回波到达时刻重复精度也就越高，并且单位时间的波数越多，能够测量的最小位移越小。但超声波的频率不能无限增加，一是增加了成本，二是频率越高，衰减越大。
2)提高检测回波到达时刻的精度。如包络峰值检测，自动增益，动态阈值以及一些数学算法求峰值等。提高回波信号到达时刻的精度的对提高超声波测位移的精度有一定的作用。尽管对超声波回波信号进行滤波等处理，但回波中依然掺杂着电噪等干扰信号以及偶然误差和信号畸变等的影响也会使所测结果不稳定，影响超声波测位移精度。
3)提高定时计数频率。从理论上讲定时计数的频率越高越好，因为定时计数法总存在一个计数误差，频率越高，同样时间内计数越多，百分比误差就越小。但计数频率不能无限提高，因为它受硬件限制。
4)加长计数时间。定时计数频率一定时,加长计数时间，也就是计多次往复传播的总时间，用更长的时间就可以计更多的数，那么误差自然也越小。并且在一定程度上还可以抵消回波到达时刻的偶然误差，但是考虑到系统的快速性，时间也不能加的太长，并且偶然误差也依然存在。
5)进行误差补偿，例如温度补偿等等，这只是测量完成之后计算上的处理，这里不予讨论。
现有的设备或仪器大多是以上方法的综合运用，要达到很高的精度，系统复杂性与成本会大幅度提高。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，本发明一种高精度超声波位移测量系统，其特征在于，包括：
超声波发射/接收单元、对接收到的超声波信号进行处理的超声波信号处理单元、触发所述超声波发射单元第一次发射超声波以及稳定系统输出频率的锁相单元、补偿不同温度值对超声波传播速度的误差的温度补偿单元、输入不同材质下超声波传输速度值的输入单元以及显示测得的位移值的显示单元；所述超声波发射单元，包括：产生功率窄脉冲信号的激励脉冲发生器、发射超声波的超声波换能器；
所述激励脉冲发生器产生的功率窄脉冲信号驱动超声波换能器发射超声波；所述超声波经过被测物返回后，立即触发下一次超声波的发射，多次往返后的频率信号输入到锁相环输出稳定频率信号f'，所述锁相单元的输出频率f′稳定后，若突然出现频率相差较大的信号，但下一个周期恢复正常，锁相单元将保持稳定；已知输入单元输入的超声波传输速度值为V，则被测位移L为：
L＝V÷f'÷2。
进一步的，所述锁相单元发出的方波信号的下降沿触发激励脉冲发生器产生功率窄脉冲信号，并激励超声波换能器发射超声波信号F；所述超声波换能器发射的超声波遇到被测物体后反射回来的回波信号经过数据处理后形成脉冲信号；所述脉冲信号多次往返后的频率信号输入到锁相环输出稳定频率信号f'；根据锁相环稳定后的频率f′以及所述输入单元输入的不同材质下超声波传输速度值计算位移；所述输入单元输入的超声波传输速度值通过温度补偿单元补偿不同温度值对超声波传播速度的误差。
本发明还公开了一种高精度超声波位移测量方法，包括以下步骤：
由锁相单元发出的方波信号的下降沿触发激励脉冲发生器产生功率窄脉冲信号；
进一步的，S1：所述功率窄脉冲信号驱动超声波换能器发射超声波信号F；
S2：所述超声波换能器发射的超声波遇到被测物体后反射回来的回波信号经过数据处理后形成脉冲信号；所述的数据处理包括：自动增益、滤波、电压比较；
S3：所述脉冲信号多次往返后形成频率信号；所述频率信号输入到锁相单元，直到锁相环的输出频率f′等于所述超声波换能器发射超声波的发射频率f″时，则频率达到稳定；
S4：根据锁相环稳定后的输出频率f′以及输入的不同材质下超声波传输速度值计算位移；所述输入的超声波传输速度值通过温度补偿单元补偿不同温度值对超声波传播速度的误差。
进一步的，功率窄脉冲信号驱动超声波换能器发射超声波，所述超声波经过被测物返回后，立即触发下一次超声波的发射，多次往返后的频率信号输入到锁相环输出稳定频率信号f'，已知输入单元输入的超声波传输速度值为V，则被测位移L为：
L＝V÷f'÷2。
进一步的，所述锁相单元的输出频率f′稳定后，若突然出现的频率与稳定后的输入频率f′相差大于±20％且下一个周期又恢复正常的信号，锁相单元将保持稳定。
本发明的优点在于：本发明把超声波位移的测量转化为频率的测量。经锁相单元的处理，达到消除偶然误差的影响以及减小了回波到达时刻不确定的影响，使系统更稳定，精度更高。采用等精度测量法测量输出信号的频率，只要频率稳定，测量精度达到任何想要的精度。本发明可以应用于超声波测厚仪以及其他高精度位移测量设备，测量范围还可以根据实际情况适当扩展。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的超声波位移测量系统的结构图；
图2为本发明的超声波测位移测量系统的实例时序图；
图3为本发明的锁相单元控制电路图；
图4为本发明的单片机控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1、2所示的一种高精度超声波位移测量系统，包括：超声波发射/接收单元、对接收到的超声波信号进行处理的超声波信号处理单元、触发超声波发射单元第一次发射超声波以及稳定系统输出频率的锁相单元、补偿不同温度值对超声波传播速度的误差的温度补偿单元、输入不同材质下超声波传输速度值的输入单元以及显示测得的位移值的显示单元。
其中，作为优选的实施方式，超声波发射单元，包括：产生功率窄脉冲信号的激励脉冲发生器、发射超声波的超声波换能器。在本实施方式中采用的锁相单元是NE562锁相环电路是单片式信号调制和解调系统，可以理解为在其它实施方式中，采用的锁相单元可以按照实际的需要进行选择，只要能够满足锁相环的压控振荡器发出的方波信号的周期T大于最大测量位移下超声波往返一次所用的时间t即可。
作为优选的实施方式，还包含一种高精度超声波位移测量方法，包括以下步骤：由锁相单元发出的方波信号的下降沿触发激励脉冲发生器产生功率窄脉冲信号；
进一步的，S1：所述功率窄脉冲信号驱动超声波换能器发射超声波信号F；
S2：所述超声波换能器发射的超声波遇到被测物体后反射回来的回波信号经过数据处理后形成脉冲信号；所述的数据处理包括：自动增益、滤波、电压比较；
S3：所述脉冲信号多次往返后形成频率信号；所述频率信号输入到锁相单元，直到锁相环的输出频率f′等于所述超声波换能器发射超声波的发射频率f″时，则频率达到稳定；
S4：根据锁相环稳定后的输出频率f′以及输入的不同材质下超声波传输速度值计算位移；所述输入的超声波传输速度值通过温度补偿单元补偿不同温度值对超声波传播速度的误差。
进一步的，功率窄脉冲信号驱动超声波换能器发射超声波，所述超声波经过被测物返回后，立即触发下一次超声波的发射，多次往返后的频率信号输入到锁相环输出稳定频率信号f'，已知输入单元输入的超声波传输速度值为V，则被测位移L为：
L＝V÷f'÷2。
进一步的，所述锁相单元的输出频率f′稳定后，若突然出现的频率与稳定后的输入频率f′相差大于±20％且下一个周期又恢复正常的信号，锁相单元将保持稳定。实施例：
以74HC4095单片机为例，对本发明计算过程进行模拟，仅作为可实施的方式的说明。所述计算过程与单片机本身的参数有关，当更换为其它运算处理单元时，计算过程本领域技术人员能够根据单片机计算性能及参数的不同，给出相应的算法的计算过程。
如图3所示的是本发明的锁相单元控制电路图，在本实施方式中，采用单片机控制74HC4095实现自动分频，对从锁相环端口3采集到的数据进行处理并由端口23将采集到的数据传递到锁相环的端口2，74HC4095其它引脚接单片机I/O口。锁相单元对系统需要测量的频率信号起到稳定的作用，避免了回波到达时刻由于受电压比较器硬件等的影响，存在的重复误差。在一个周期内频率可能高于稳定的频率，由于频差的存在，通过控制压控振荡器,使它的频率减小，在下一个周期频率又可能低于平均值，锁相环又会调整使输出频率增大。由于锁相环的调整是需要时间的，而两个周期之间相差的时间又很短，最终导致的结果就是使锁相环压控振荡器的输出频率始终朝着稳定的频率靠近，从而减小了回波到达时刻不确定的影响。
如图4所示为本发明单片机处理过程原理，由于锁相环输出的频率是30MHz，那么所需的最大分频数和最小分频数为:
Nmax＝3×107÷9000＝3333
Nmin＝30÷3＝10
进一步的，NE562的跟踪范围为40％，这里可以使分频数在10-3333之间按20％递增，在本实施方式中，这里选用74HC4059，它是一个可编程分频器，能接收的最大频率为40MHz,可以通过如下公式编程实现3-15999分频:
n＝(模式)(1000×5脚十进制值+100×4脚十进制值+10×3脚十进制值+1×2脚十进制值)+1脚十进制值
其中模式可选10、8、5、4、2，各脚的值由J1-J16决定。用单片机对74HC4059进行控制，实现频率9KHz-3MHz之间变化。
进一步的，计算出不同位移下超声波往返时间所对应的频率,再算出所需的分频数N:
N＝[10(1+20％)n-1]
nmax＝log1.2333.3≈32(n取1…32)
则对应得时间也可以分成31段，从330ns开始按x％增加则
31＝log(1+x％)(100000÷330)解得x％≈20.2％
已知声音在固体中的传播速度在2km/s到6km/s之间。以最大6km/s为例，本系统针对的是小位移测量，拿最小1mm来说，超声波往返一次的时间为t:
t＝0.001÷6000×2＝0.00000030s＝330ns
那么它的频率为:
f＝1÷t＝3MHz
NE562锁相环电路的典型工作频率为30MHz，且NE562单电源工作电压为2.7-5.5V，满足测量的条件。已知声音在固体中的传播速度在2km/s到6km/s之间。以最小速度2km/s为例。以本系统的测量上限100mm为例，超声波往返一次所用时间t为:
0.1÷2000×2＝0.0001s＝100us
那么它的频率为:
f＝1÷t＝10KHz
可取压控振荡器的自由振荡频率f0为9KHz。在本实施方式中，NE562锁相环电路的典型工作频率为30MHz，且NE562单电源工作电压为2.7-5.5V，满足测量的条件。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度超声波位移测量系统，其特征在于，包括：
超声波发射/接收单元、
对接收到的超声波信号进行处理的超声波信号处理单元、
触发所述超声波发射单元第一次发射超声波以及稳定系统输出频率的锁相单元、
补偿不同温度值对超声波传播速度的误差的温度补偿单元、
输入不同材质下超声波传输速度值的输入单元以及显示测得的位移值的显示单元；
所述超声波发射单元，包括：产生功率窄脉冲信号的激励脉冲发生器、发射超声波的超声波换能器；
所述激励脉冲发生器产生的功率窄脉冲信号驱动超声波换能器发射超声波；所述超声波经过被测物返回后，立即触发下一次超声波的发射，多次往返后形成一个频率信号，所述频率信号输入到锁相环；
所述锁相单元输出频率f′稳定后，若突然出现频率相差较大的信号，但下一个周期恢复正常，锁相单元将保持稳定；
已知输入单元输入的超声波传输速度值为V，则被测位移L为：
L＝V÷f′÷2。
2.根据权利要求1所述的一种高精度超声波位移测量系统，其特征还在于：
所述锁相单元发出的方波信号的下降沿触发激励脉冲发生器产生功率窄脉冲信号，并激励超声波换能器发出超声波信号F；
所述超声波换能器发射的超声波遇到被测物体后反射回来的回波信号经过数据处理后形成脉冲信号；
所述脉冲信号经多次往返后形成一个频率信号，所述频率信号输入到锁相环；
根据锁相环稳定后的频率f′以及所述输入单元输入的不同材质下超声波传输速度值计算位移；所述输入单元输入的超声波传输速度值通过温度补偿单元补偿不同温度值对超声波传播速度的误差。
3.一种高精度超声波位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
锁相单元发出的方波信号的下降沿触发激励脉冲发生器产生功率窄脉冲信号，并激励超声波换能器发出超声波信号F、接收到超声波信号并进行处理、发射超声波并由锁相环稳定系统的输出频率、补偿不同温度值对超声波传播速度的误差得到的位移值。
4.根据权利要求3所述的一种高精度超声波位移测量方法，其特征还在于，包括以下步骤：
S1：由锁相单元发出的方波信号的下降沿触发激励脉冲发生器产生功率窄脉冲信号，并激励超声波换能器产生超声波信号F；
S2：所述超声波换能器发射的超声波遇到被测物体后反射回来的回波信号经过数据处理后形成脉冲信号,所述脉冲信号多次往返后形成一个频率信号；所述的数据处理包括：自动增益、滤波、电压比较；
S3：所述频率信号输入到锁相单元，直到锁相环的输出频率f′等于所述超声波换能器发射超声波的发射频率f″；
S4：根据锁相环的输出频率f′以及输入的不同材质下超声波传输速度值计算位移；所述输入的超声波传输速度值通过温度补偿单元补偿不同温度值对超声波传播速度的误差。
5.根据权利要求3所述的一种高精度超声波位移测量方法，其特征还在于：所述计算位移的方法为：
锁相单元发出的方波信号的下降沿触发激励脉冲发生器产生功率窄脉冲信号，功率窄脉冲信号驱动超声波换能器发射超声波，所述超声波经过被测物返回后，立即触发下一次超声波的发射，多次往返后的频率信号输入到锁相环输出稳定频率信号f′，已知输入单元输入的超声波传输速度值为V，则被测位移L为：
L＝V÷f′÷2。
6.根据权利要求3所述的一种高精度超声波位移测量方法，其特征还在于：所述锁相单元的输出频率f′稳定后，若突然出现的频率与稳定后的频率f′相差大于±20％且下一个周期又恢复正常的信号，锁相单元将保持稳定。
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