CN107765248A - 非接触式超声波计米仪及其计米算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了非接触式超声波计米仪及其计米算法，包括用于传输待检测线缆的线缆传输通道，所述线缆传输通道的一侧设置有超声波发射探头T1和超声波接收探头R1，在线缆传输通道的另一侧还设置有超声波接收探头R2，所述超声波发射探头T1沿发射线方向到线缆传输通道内的待检测线缆的反射点的距离为L，且发射线与待检测线缆中心轴线的夹角为θ，待检测线缆的反射点到超声波接收探头R1、R2的距离也分别为L，其中两个超声波接收探头R1、R2关于待检测线缆中心轴线呈镜像对称。本发明解决了现有技术中的超声波计米器受温度影响大、计量精度低的问题。

Description

非接触式超声波计米仪及其计米算法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及非接触式超声波计米仪及其计米算法。

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。

针对以上问题，CN201510981227.3中提出一种基于超声波的计米装置，其原理是利用超声波的传播时间来获取线缆的速度信息。其在求解速度过程中，需要声速，而声速受温度影响很大，使得这种超声波计米器的计量误差随着环境变化而变化；后来针对该问题，人们采用做温度补偿的方式来提高超声波计米器的精度，但是这种温度补偿方式所达到的效果非常有限，使得超声波计米器的精度仍受环境温度和湿度的影响。

所以在现有技术中，人们一般不采用超声波计米器，而采用精度更高的激光计米器来计量。

发明内容

本发明的目的在于提供非接触式超声波计米仪及其计米算法，解决现有技术中的超声波计米器受温度影响大、计量精度低的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

非接触式超声波计米仪，包括用于传输待检测线缆的线缆传输通道，所述线缆传输通道的一侧设置有超声波发射探头T1和超声波接收探头R1，在线缆传输通道的另一侧还设置有超声波接收探头R2，所述超声波发射探头T1沿发射线方向到线缆传输通道内的待检测线缆的反射点的距离为L，且发射线与待检测线缆中心轴线的夹角为θ，待检测线缆的反射点到超声波接收探头R1、R2的距离也分别为L，其中两个超声波接收探头R1、R2关于待检测线缆中心轴线呈镜像对称。进一步的，针对以上技术问题，本发明对现有的计米仪进行改进，利用超声波的频率较高，在定向传播时，在两种不同媒质的分界面上，会出现类似于光线一样的透射、反射和折射现象的特性，在线缆传输通道的另一侧增加了一个超声波接收探头R2，通过以上结构的设置，超声波接收探头R2可接收超声波发射探头T1的透射波，超声波接收探头R1可接收超声波发射探头T1的反射波，通过测量超声波发射探头T1沿发射路径到反射点之间的距离L，以此也可得出反射点到两个接收探头R1、R2的距离L，再通过测量超声波发射探头T1的发射路径与传输的待检测线缆之间的夹角θ，利用三角函数关系，就可得出待检测线缆在发射波脉冲波路径上的速度分量的v’，此外接收探头R1、R2接收到超声波发射探头T1发射的脉冲波的时间也可计量，根据两个计量时间，联立两个速度v’与路程L的时间公式，具体见公式(1)(2)，即可将声速c由常量变为变量，得出待检测线缆的准确速度v。通过采用以上方式，克服了现有技术中的技术难题，不再简单的将声速c看做传统意义上的固定值，不管温度、湿度怎样变化，均可得到声速c的准确值，从根本上克服了超声波计米器的精度受温度的影响的问题，取得了极大的突破。另外，市面上超声波发射器相比激光发射器的价格更加低廉，制作工艺也更加简单，本发明只需增加一个超声波接收探头，安装也非常方便，可直接在现有产线上安装，不用改动生产线，改动成本低，性价比非常高，可改变现有技术中市场上非接触式电子类型的计米器只推行激光计米器的现状，具有极大的实用价值。

所述夹角θ的取值范围为20°＜θ＜45°。进一步的，根据超声波会产生和光线一样的直射、反射和折射现象，当夹角θ越小时，速度的可测分量越大，这样越容易接收到透射与反射声波，提高测试精度，所以本发明的θ优选设置在45°以下。但由于超声波的方向性好，其与光一样具有掠射特性，所以超声波也会同光传播一样，当从光疏介质射向光密介质时，在掠射或垂直入射2种情况下，在反射过程中会产生半波损失；所以当超声波射向待检测线缆时，θ角度也不能无限小，这样会导致超声波与其法线的角度越来越大，即入射角接近90°，导致反射声波出现半波损失，所以本发明的θ最小不低于20°。

优选的，所述夹角θ的取值范围为30°≤θ≤35°。进一步的，经过发明人研究发现，当夹角θ的取值范围在30°≤θ≤35°时，为本发明的测试最佳范围。

在线缆传输通道的正上方还设置有抗干扰保护罩，所述抗干扰保护罩为两端相通的凹槽状，超声波发射探头T1与超声波接收探头R1、R2分别安装在抗干扰保护罩的两个相对内侧壁上。进一步的，现有技术中，在对电缆进行计米时，一般不会采用超声波计米器，因为声波在传输过程会对电缆内的音频信号产生干扰，影响其正常工作。发明人针对该问题，设计了一种专用于抗声波干扰的保护罩，将超声波发射探头T1与超声波接收探头R1、R2均设置在抗干扰保护罩内，抗干扰保护罩的中心轴线就形成线缆传输通道，在超声波探头工作的过程中，抗干扰保护罩可很好的将声波吸收，大大降低了声波对电缆的干扰。

优选的，所述抗干扰保护罩的三个内壁上均设置有吸音板。进一步的，本发明通过吸音板来吸收声音，吸音板采用现有技术中高分子吸音材料制成，可将超声波传输到抗干扰保护罩内壁上的能量吸收减弱。

优选的，所述吸音板朝向线缆传输通道的面上设置有若干个波纹凹槽，三个吸音板的波纹凹槽一一对应形成多个半环形吸声通道，所述吸声通道沿抗干扰保护罩的轴向等间隔设置。进一步的，现有的吸音板大多数为一个平整的面板，吸音效果有限，发明人通过研究声波的传播特性，在将吸音板设计为波纹凹槽状，大大增加吸音板与声波的接触面积和几率；并将抗干扰保护罩两个相对侧壁的波纹凹槽竖向设置，顶部的波纹凹槽横向设置，这样三个吸音板上的波纹凹槽围成多个半环形吸声通道，这样无论反射脉冲波还是直射脉冲波碰到吸音板都会随着半环形吸声通道的传递逐渐被吸音板吸收，最终声波能量完全被抗干扰保护罩顶部的吸音板吸收干净，更进一步的提高了吸音板的吸音效果，避免了声波的来回反射对系统测量的影响。

所述抗干扰保护罩的外侧还设置有显示控制器，所述显示控制器用于控制超声波发射探头T1发射脉冲波，并与超声波接收探头R1、R2连接将当前计米长度显示。进一步的，显示控制器分别与超声波发射探头T1、超声波接收探头R1、R2连接，内部包括MCU控制芯片、运算放大AMP模块、带通滤波BPF模块、驱动电路、显示模块，MCU控制芯片包括依次连接的ADC处理电路、信号处理、系统控制单元、波形产生模块，首先系统控制单元控制波形产生模块产生发射波形，通过驱动模块来驱动发射探头T1，将信号辐射出去；同时，系统控制部分打开接收通道，接收探头R1和R2将信号接收传输给BPF，通过带通滤波BPF后，增加系统的信噪比，然后再通过运算放大AMP将信号放大，之后通过模数转换ADC单元将模拟信号转换成数字信号，交给信号处理单元，信号处理单元将回波信号处理后获取到两个时差，最终获得速度和长度信息，并将值返回到系统控制单元，系统控制单元将最新的信息显示到显示单元，可以直接观察当前长度，同时通过接口发射出去。该接口可为RS485接口，可与远程控制设备或移动终端连接，便于计量人员查看。

一种超声波计米仪的计米算法，包括以下步骤：

A：首先将待检测线缆放置在线缆传输通道上，所述待检测线缆的中心线与线缆传输通道的中心轴线重合；

B：设超声波发射探头T1的发射线与待检测线缆中心轴线的夹角为θ，声速为变量c；

当待检测线缆以速度v通过时，v在发射线方向上的分量为v’，则：

v’＝v*cosθ (1)；

测量出超声波发射探头T1到待检测线缆的反射点距离为L，若超声波发射探头T1在t0时刻发射脉冲，那么两个超声波接收探头R2与R1接收到脉冲的时间分别是：

联立公式1和公式2求解得出待检测线缆的速度v；

C：假设脉冲的发射周期为T，则在第i次脉冲间隔待检测线缆的移动距离为v_i*T，如果在整个测量过程中，总共发射N个脉冲，则线缆的长度为

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明非接触式超声波计米仪及其计米算法，克服了现有技术中的技术难题，不再简单的将声速c看做传统意义上的固定值，不管温度、湿度怎样变化，均可得到声速c的准确值，从根本上克服了超声波计米器的精度受温度的影响的问题，取得了极大的突破；

2、本发明非接触式超声波计米仪及其计米算法，只需增加一个超声波接收探头，安装也非常方便，可直接在现有产线上安装，不用改动生产线，改动成本低，性价比非常高，可改变现有技术中市场上非接触式电子类型的计米器只推行激光计米器的现状，具有极大的实用价值；

3、本发明非接触式超声波计米仪及其计米算法，在线缆传输通道的正上方设置抗干扰保护罩，将超声波发射探头T1与超声波接收探头R1、R2均设置在抗干扰保护罩内，抗干扰保护罩的中心轴线就形成线缆传输通道，并将吸音板设计为波纹凹槽状，形成半环形吸声通道，可很好的将声波吸收，大大降低了声波对电缆的干扰。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明抗干扰保护罩的外侧结构示意图；

图3为本发明抗干扰保护罩的剖视图；

图4为本发明显示控制器的系统结构图。

附图中标记及对应的零部件名称：

101-线缆传输通道，102-超声波发射探头T1，103-超声波接收探头R1，104-超声波接收探头R2，105-抗干扰保护罩，106-吸音板，107-波纹凹槽，108-显示控制器。

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白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1、4所示，本发明非接触式超声波计米仪，包括用于传输待检测线缆的线缆传输通道101，所述线缆传输通道101的一侧设置有超声波发射探头T1102和超声波接收探头R1103，在线缆传输通道101的另一侧还设置有超声波接收探头R2104，所述超声波发射探头T1102沿发射线方向到线缆传输通道101内的待检测线缆的反射点的距离为L，且发射线与待检测线缆中心轴线的夹角为θ，待检测线缆的反射点到超声波接收探头R1103、R2104的距离也分别为L，其中两个超声波接收探头R1103、R2104关于待检测线缆中心轴线呈镜像对称。所述夹角θ为35°。所述抗干扰保护罩105的外侧还设置有显示控制器108，所述显示控制器108用于控制超声波发射探头T1102发射脉冲波，并与超声波接收探头R1103、R2连接将当前计米长度显示。首先系统控制单元控制波形产生模块产生发射波形，通过驱动模块来驱动发射探头T1，将信号辐射出去；同时，系统控制部分打开接收通道，接收探头R1和R2将信号接收传输给BPF，通过带通滤波BPF后，增加系统的信噪比，然后再通过运算放大AMP将信号放大，之后通过模数转换ADC单元将模拟信号转换成数字信号，交给信号处理单元，信号处理单元将回波信号处理后获取到两个时差，最终获得速度和长度信息，并将值返回到系统控制单元，系统控制单元将最新的信息显示到显示单元，可以直接观察当前长度，同时通过接口发射出去。

一种超声波计米仪的计米算法，包括以下步骤：

A：首先将待检测线缆放置在线缆传输通道101上，所述待检测线缆的中心线与线缆传输通道101的中心轴线重合；

B：设超声波发射探头T1102的发射线与待检测线缆中心轴线的夹角为θ，声速为变量c；

当待检测线缆以速度v通过时，v在发射线方向上的分量为v’，则：

v’＝v*cosθ(1)；

测量出超声波发射探头T1102到待检测线缆的反射点距离为L，若超声波发射探头T1102在t0时刻发射脉冲，那么两个超声波接收探头R2104与R1接收到脉冲的时间分别是：

通过公式2求解得出速度v’＝2L/(2t1-t2)-2L/t2；

由此通过公式1得待检测线缆的速度v＝v’/cosθ；

C：假设脉冲的发射周期为T，则在第i次脉冲间隔待检测线缆的移动距离为v_i*T，如果在整个测量过程中，总共发射N个脉冲，则线缆的长度为

通过以上方法克服了现有技术中的技术难题，不再简单的将声速c看做传统意义上的固定值，不管温度、湿度怎样变化，均可得到声速c的准确值，从根本上克服了超声波计米器的精度受温度的影响的问题，取得了极大的突破；并且可直接在现有产线上安装，不用改动生产线，改动成本低，性价比非常高，可改变现有技术中市场上非接触式电子类型的计米器只推行激光计米器的现状，具有极大的实用价值。

实施例2

如图2～3所示，本发明非接触式超声波计米仪及其计米算法，在实施例1的基础上，在线缆传输通道101的正上方还设置有抗干扰保护罩105，所述抗干扰保护罩105为两端相通的凹槽状，超声波发射探头T1102与超声波接收探头R1103、R2分别安装在抗干扰保护罩105的两个相对内侧壁上。所述抗干扰保护罩105的三个内壁上均设置有吸音板106。所述吸音板106朝向线缆传输通道101的面上设置有若干个波纹凹槽107，三个吸音板106的波纹凹槽107一一对应形成多个半环形吸声通道，所述吸声通道沿抗干扰保护罩105的轴向等间隔设置。通过以上结构大大增加了吸音板106与声波的接触面积和几率，可很好的将声波吸收，大大降低了声波对电缆的干扰。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (8)

1.非接触式超声波计米仪，包括用于传输待检测线缆的线缆传输通道(101)，所述线缆传输通道(101)的一侧设置有超声波发射探头T1(102)和超声波接收探头R1(103)，其特征在于，在线缆传输通道(101)的另一侧还设置有超声波接收探头R2(104)，所述超声波发射探头T1(102)沿发射线方向到线缆传输通道(101)内的待检测线缆的反射点的距离为L，且发射线与待检测线缆中心轴线的夹角为θ，待检测线缆的反射点到超声波接收探头R1(103)、R2(104)的距离也分别为L，其中两个超声波接收探头R1(103)、R2(104)关于待检测线缆中心轴线呈镜像对称。

2.根据权利要求1所述的非接触式超声波计米仪，其特征在于，所述夹角θ的取值范围为20°＜θ＜45°。

3.根据权利要求2所述的非接触式超声波计米仪，其特征在于，所述夹角θ的取值范围为30°≤θ≤35°。

4.根据权利要求1所述的非接触式超声波计米仪，其特征在于，在线缆传输通道(101)的正上方还设置有抗干扰保护罩(105)，所述抗干扰保护罩(105)为两端相通的凹槽状，超声波发射探头T1(102)与超声波接收探头R1(103)、R2分别安装在抗干扰保护罩(105)的两个相对内侧壁上。

5.根据权利要求4所述的非接触式超声波计米仪，其特征在于，所述抗干扰保护罩(105)的三个内壁上均设置有吸音板(106)。

6.根据权利要求5所述的非接触式超声波计米仪，其特征在于，所述吸音板(106)朝向线缆传输通道(101)的面上设置有若干个波纹凹槽(107)，三个吸音板(106)的波纹凹槽(107)一一对应形成多个半环形吸声通道，所述吸声通道沿抗干扰保护罩(105)的轴向等间隔设置。

7.根据权利要求4所述的非接触式超声波计米仪，其特征在于，所述抗干扰保护罩(105)的外侧还设置有显示控制器(108)，所述显示控制器(108)用于控制超声波发射探头T1(102)发射脉冲波，并与超声波接收探头R1(103)、R2连接将当前计米长度显示。

8.一种超声波计米仪的计米算法，其特征在于，包括以下步骤：

A：首先将待检测线缆放置在线缆传输通道(101)上，所述待检测线缆的中心线与线缆传输通道(101)的中心轴线重合；

B：设超声波发射探头T1(102)的发射线与待检测线缆中心轴线的夹角为θ，声速为变量c；

当待检测线缆以速度v通过时，v在发射线方向上的分量为v’，则：

v’＝v*cosθ (1)；

测量出超声波发射探头T1(102)到待检测线缆的反射点距离为L，若超声波发射探头T1(102)在t0时刻发射脉冲，那么两个超声波接收探头R2(104)与R1接收到脉冲的时间分别是：

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联立公式1和公式2求解得出待检测线缆的速度v；

C：假设脉冲的发射周期为T，则在第i次脉冲间隔待检测线缆的移动距离为v_i*T，如果在整个测量过程中，总共发射N个脉冲，则线缆的长度为

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