CN108983242A - 基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置及方法，采用超声波信号发生装置产生超声波信号源，并向被测空间发射超声波；第一声波传感器采集该测量点上的超声波信号，第二声波传感器采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，信号处理装置接收两个声波传感器发送的超声波电信号，根据两路超声波电信号，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。
Description
技术领域
本发明涉及超声波精密测量领域，具体涉及一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置及测量方法。
背景技术
超声波的产生、传播、接收理论与技术经过几十年的发展，特别是信息时代，成为探测领域研究热点问题。目前人们用超声波的发射，传播，障碍物反射，接收。根据所用时间算出障碍物的距离，称为超声波雷达。这种测距方法与超声波波长基本上无关。但是这种方法精度低，不可能达到纳米级精度，无法实现对微小空间距离的测量。
目前常用一种激光干涉技术，测量10nm到1100μm空间距离。现有识别微小物体的方法有：各种显微镜识别微小物体，如光学显微镜，可以分辨0.2微米的小物体；电子显微镜可以识别1nm物体，扫描隧道显微镜0.1nm原子。原子力显微镜可以识别非导电材料的0.1nm原子。但是，这些方法无法快速准确实现微小空间距离的测量。
随着科学技术的发展，精密测量的要求越来越高，设备成本也越来越贵。而现有的测量设备无法实现对微小空间距离的测量。因此，如何设计一种低成本、操作简单、精度更高的测量设备，仍是待解决的技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置及方法。
本发明所采用的技术方案是：
本发明的第一目的是提供一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置，该测量包括：
超声波信号发生装置，用于产生超声波信号源，并向被测空间发射超声波；
第一声波传感器，固定在被测空间的一测量点上，用于采集该测量点上的超声波信号，并传输至信号处理装置；
第二声波传感器，从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点，用于采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中，超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，并实时传输至信号处理装置；
信号处理装置，用于接收两个声波传感器发送的超声波电信号，根据两路超声波电信号，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。
作为本发明的进一步限定，所述超声波信号发生装置包括超声波信号发生器、第一放大器和发射器，所述超声波信号发生器产生超声波信号源，经过第一放大器放大后，由发射器向被测空间发射超声波。
作为本发明的进一步限定，所述信号处理装置包括第二放大器、滤波器和双踪模拟示波器，第一声波传感器和第二声波传感器采集到的超声波电信号经过第二放大器和滤波器放大滤波后，第一声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器x轴的输入端，第二声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器y轴的输入端，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。
本发明的第二目的是提供一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量方法，基于上述的超声波纳米精度测量装置实现，该方法包括以下步骤：
采集在被测空间的一测量点上的超声波信号、被测空间的另一测量点上的超声波信号以及从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中超声波信号；
利用采集到的两路超声波电信号，绘制和显示动态李萨如图；
根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值；
基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。
作为本发明的进一步限定，所述动态李萨如图的绘制方法为：
将第一测量点上的超声波电信号输入双踪模拟示波器的x轴输入端，将第二测量点的声波电信号以及第一测量点和第二测量点之间直线空间上各点的声波电信号输入到双踪模拟示波器的y轴输入端，形成从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图。
作为本发明的进一步限定，所述两个测量点的超声波相位差值的计算方法为：
获取李萨如图周期翻转次数，计算从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中李萨如图位置及形状的相位角差；
根据李萨如图周期翻转次数与李萨如图位置及形状的相位角差，计算两个测量点超声波相位差值。
作为本发明的进一步限定，所述声波传播距离与相位角的关系表达式为：
或，
其中，ωt为相位角，λ为波长，n为常数，n＝1,2,3……。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过测量被测空间不同测量点的超声波信号，绘制动态李萨如图，根据李萨如图变化，计算相位角，进而得到被测空间的长度，通过波传输的相位角来精确测量微小空间距离；
(2)本发明结构简单，设备成本低，通过选用纳米量级超声波的波长，达到纳米精度测量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例一公开的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置结构图；
图2是本发明实施例二公开的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有采用超出波雷达的测距方法，精度低，不可能达到纳米级精度，无法实现微小空间距离测量。
为了实现低成本、操作简单、高精度测量，本发明实施例一提出了一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置。如图1所示，该测量装置包括超声波信号发生装置、第一声波传感器、第二声波传感器和信号处理装置。
所述超声波信号发生装置，用于产生超声波信号源，并向被测空间发射超声波。
具体地，所述超声波信号发生装置包括超声波信号发生器、第一放大器和发射器，所述超声波信号发生器产生超声波信号源，经过第一放大器放大后，由发射器向被测空间发射超声波。
本发明选用超声波的波长为100nm，达到10nm分辨率的测量。或者选用超声波的波长为10nm，达到1nm分辨率的测量。选用超声波的波长为纳米量级，达到纳米精度的测量。
所述第一声波传感器，固定在被测空间的一测量点上，用于采集该测量点上的超声波信号，并传输至信号处理装置。
所述第二声波传感器，从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点，用于采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，并实时传输至信号处理装置。
所述信号处理装置，用于根据接收到的两路超声波电信号，绘制从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的长度。
具体地，所述信号处理装置包括第二放大器、滤波器和双踪模拟示波器，第一声波传感器和第二声波传感器采集到的超声波电信号经过第二放大器和滤波器放大滤波后，第一声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器的x轴的输入端，第二声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器的y轴输入端，通过双踪模拟示波器绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的长度。
本发明通过测量被测空间不同测量点的超声波信号，绘制动态李萨如图，根据李萨如图变化，计算相位角，进而得到被测空间的长度，通过波传输的相位角来精确测量微小空间距离；本发明结构简单，设备成本低，通过选用纳米量级超声波的波长，达到纳米精度测量。
图2是本发明实施例二提出的一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量方法，该方法是基于图1所示的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置实现的。
1、测量原理
声波属于纵波，波动是振动状态的传播，相位的传播。振源的能量以波速向外传递。假定传播介质中每个质量元彼此通过弹性力相联系，沿X轴方向振动，沿X轴向传播。
声波函数的一般表达式：
式中：A(x)为声波的振幅，通常随传播距离而衰减，是传播距离x的函数；ω为角速度，k为波数，即频率。
ωt为时间相位角，用θ表示，则有kx为空间相位角。
如果不考虑振幅的变化，当时间相位角θ与空间相位角kx差值等于某一恒定值时，声波函数不变。
若选时间相位角θ与空间相位角kx差值为零，则有：
当波的传播速度一定，频率k一定时。传播距离x与相位角θ呈现正比例线性关系，通过测量相位角θ，可以知道声波传播的距离x。
用弧度表示声波传播的距离x为：
传播距离x用波长λ表示，相位角用2π整数倍，加上不足2π的部分，用度数表示，则声波传播距离x为：
其中，n＝1,2,3……。
相位角用360度的整数倍，余数部分用角度数表示，则声波传播距离x为：
2、李萨如图
李萨如图的形成方法有两种，一种是：通过用来绘制李萨如图形的装置来绘制李萨如图。在这个装置中，一束光被一面固定在音叉上的镜子反射，然后再被第二面固定在音叉上的镜子反射，两个音叉震动方向互相垂直，两者音高也经常被设置为不同，以取得不同的谐振频率；光束最后被打在墙上，得到了李萨如图形。李萨如图形可以检测两个相同频率信号的相位差，一个质点同时在X轴和Y轴上作简谐运动，形成的图形就是李萨如图形。
形成李萨如图形的另一种方法是：把两个圆斜着放，在两个圆上任取两点，将这两点向右上角做垂线，交于一点。然后将这两个点在圆上运动，点也随之运动。点运动的轨迹形成李萨如图形。设一信号为X＝Asinωt，另一信号为Y＝Bsin(ωt+ψ)，分别输入双踪模拟示波器的x轴和y轴输入端，可以通过在示波屏上显示的椭圆的性质确定其相位差。
3、基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量方法
图2所示的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量方法包括以下步骤：
S101，采集在被测空间的一测量点上的超声波信号、被测空间的另一测量点上的超声波信号以及从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中超声波信号。
将第一声波传感器固定在被测空间的一测量点上，通过第一声波传感器采集该测量点上的超声波信号，并传输至信号处理装置。
第二声波传感器从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点，通过第二声波传感器采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，并实时传输至信号处理装置。
S102，利用两路超声波信号，绘制和显示动态李萨如图。
所述动态李萨如图的绘制方法具体为：
信号处理装置对接收到的声波信号进行放大、滤波处理后，分别将第一测量点的超声波信号输入双踪模拟示波器的x轴输入端，将第二测量点的声波信号以及第一测量点和第二测量点之间直线空间上各点的超声波信号双踪模拟示波器的y轴输入端，形成从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图。
S103，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，即相位角θ，其计算方法具体为：
θ＝360×n+Δθ
式中：θ为两个测量点超声波相位差值；n为李萨如图周期翻转次数。Δθ为李萨如图位置及形状表达出相位角差。
S104，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的长度。
所述声波传播距离与相位角的关系表达式为：
或，
其中，ωt为相位角，λ为波长，n为常数，n＝1,2,3……。
将计算得到的相位角带入到上式中，计算得到被测空间的长度。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
(1)本发明通过测量被测空间不同测量点的超声波信号，绘制动态李萨如图，根据李萨如图变化，计算相位角，进而得到被测空间的长度，通过波传输的相位角来精确测量微小空间距离；
(2)本发明结构简单，设备成本低，通过选用纳米量级超声波的波长，达到纳米精度测量。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置，其特征是，该测量包括：
超声波信号发生装置，用于产生超声波信号源，并向被测空间发射超声波；
第一声波传感器，固定在被测空间的一测量点上，用于采集该测量点上的超声波信号，并传输至信号处理装置；
第二声波传感器，从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点，用于采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，并实时传输至信号处理装置；
信号处理装置，用于接收两个声波传感器发送的超声波电信号，根据两路超声波电信号，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。
2.根据权利要求1所述的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置，其特征是，所述超声波信号发生装置包括超声波信号发生器、第一放大器和发射器，所述超声波信号发生器产生超声波信号源，经过第一放大器放大后，由发射器向被测空间发射超声波。
3.根据权利要求1所述的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置，其特征是，所述信号处理装置包括第二放大器、滤波器和双踪模拟示波器，第一声波传感器和第二声波传感器采集到的超声波电信号经过第二放大器和滤波器放大滤波后，第一声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器x轴的输入端，第二声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器y轴的输入端，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。
4.如权利要求1所述的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置的测量方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
采集在被测空间的一测量点上的超声波信号、被测空间的另一测量点上的超声波信号以及从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中超声波信号；
利用采集到的两路超声波电信号，绘制和显示动态李萨如图；
根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值；
基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述动态李萨如图的绘制方法为：
将第一测量点上的超声波电信号输入双踪模拟示波器的x轴输入端，将第二测量点的声波电信号以及第一测量点和第二测量点之间直线空间上各点的声波电信号输入到双踪模拟示波器的y轴输入端，形成从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述两个测量点的超声波相位差值的计算方法为：
获取李萨如图周期翻转次数，计算从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中李萨如图位置及形状的相位角差；
根据李萨如图周期翻转次数与李萨如图位置及形状的相位角差，计算两个测量点超声波相位差值。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述声波传播距离与相位角的关系表达式为：
或，
其中，ωt为相位角，λ为波长，n为常数，n＝1,2,3……。
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