CN110440896A - 一种超声波测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波测量系统及测量方法。本发明公开了一种测量超声波在介质中的传播速度或超声波精准距离测量与定位的技术实现与方法，其包括信号产生与分析系统及换能器阵列，所述信号产生与分析系统用于控制超声波信号的产生与接收，测量发射波信号的时间差，经分析、计算得出超声波在介质中的速度、距离及坐标，所述换能器阵列用于发送所述信号产生与分析系统产生的超声波，并接收反馈回波。本发明能够直接有效地获取超声波在介质中的传播速度，得到精确的数据实现对探测目标定位测试，具有实时、简单、有效和精确的优点，且无需对介质进行取样。

Description

一种超声波测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及超声波测量技术领域，具体涉及一种用于测定超声波在介质 中传播速度、超声波测距、定位的超声波测量系统及测量方法。

背景技术

超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明 物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技 术。超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声 波或者回波的时间差与超声波在相应介质中的传播速度来间接测量距离。

无论是在超声波测距领域还是超声成像应用领域，要得到精确的测量距 离，除了得到准确有效的发射波时间与回波时间差之外，另一个限制测量准 确性的制约因素就是超声波在被测介质中的传播速度。如在某一海域进行海 床与海面距离的测量时，就要先对获取超声波在这一海域中的传播速度，才 能得到相对精确的测量结果。由于对不明介质中物体进行成像与测距离时， 超声波在该介质中的传播速度是未知的，传统的测量方式是对介质取样然后 再重新测量速度，然后才能应用于测距离与成像。

对于超声波在某一介质中的速度测量，一般采用采用测量固定长度超声 通过的时间来计算速度。这种方法直接方便，但是对于一些介质，难以及时 取样、取样受限或者难度较高时，将无能无为。另一方面，由于超声音波在 介质中的传播速度并不是一成不变的，以海水为例，超声波传播速度会受温 度、深度、盐度等各种因素的影响，因此，目前急需一种无需取样就能实时、 直接有效地获取超声波在介质中传播速度的手段与方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波测量系统及测量方法，其能够直接有 效地获取超声波在介质中的传播速度，得到精确的数据实现对探测目标定位 测试，具有实时、简单、有效和精确的优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超声波测量系统，包括信号产生与分析系统及换能器阵列，所述信 号产生与分析系统用于控制超声波信号的产生与接收，测量发射波信号的时 间差，经分析、计算得出超声波在介质中的速度、距离及坐标，所述换能器 阵列用于发送所述信号产生与分析系统产生的超声波，并接收反馈回波。

优选地，所述信号产生与分析系统包括通道控制模块、超声波发射模块、 超声波接收模块、控制与数据处理模块及计时器模块，所述控制与数据处理 模块与所述超声波发射模块电连接，所述超声波发射模块输出端与所述通道 控制模块输入端相连接，所述换能器阵列与所述通道控制模块电连接，实现 超声波信号的传输与接收，所述通道控制模块输出端与所述超声波接收模块 输入端相连接，所述超声波接收模块输出端与所述控制与数据处理模块输入 端相连接，将接收的信号数据传输到所述通道控制模块分析处理，所述计时 器模块与控制与数据处理模块相连接。

优选地，所述换能器阵列由三个超声波换能器组成。

优选地，所述信号产生与分析系统还包括显示模块、电源模块，所述显 示模块与所述控制与数据处理模块电连接，所述电源模块与其他各模块相连 接，为各模块提供工作电源。

一种超声波测量方法，该方法包括以下步骤：

S1、设置三个超声波换能器B、D、C的位置并固定，记录其物理检具参 数m、n，其中m，n分别为相连两个超声波换能器之间的距离；

S2、由超声信号产生与接收分析系统控制三个超声波换能器B、D、C， 获取任意两个超声波换能器之间的时间参数t_bd，t_bc，t_dc，启动三个超声波换 能器中的两个，其中任意一个用作超声波的发射，另一个用作超声波的发射， 记录对应的时间参数，重复以上操作，启动另外两个超声波换能器，任意两 个超声波换能器执行超声波的发送与接收操作，实现两个超声波换能器之间 的时间参数的测量与记录；

S3、由步骤S2所提取到的任意两个超声波换能器之间的时间参数t_bd，t_bc， t_dc，得到三个超声波换能器分别到探测目标的时间参数t_b，t_c，t_d，t_b，t_c，t_d的计算公式如下：

S4、基于步骤S3所得到的三个超声波换能器分别到探测目标的时间参数 以及S1中已知的相邻两个超声波换能器之间的距离参数m、n，求解超声波 在介质中的传播速度，计算公式如下：

其中，c_x为超声波在该介质中的传播速度，c_xt_b，c_xt_c，c_xt_d分别为三个超 声波换能器到探测目标之间的距离；

S5、基于c_x、m、n、c_xt_b、c_xt_c及c_xt_d参数，以超声波换能器B的位置作为 作为参考原点，计算探测目标的坐标值。

优选地，所述超声波换能器等间距布置，即m＝n；

以超声波换能器B的位置作为作为参考原点，探测目标的坐标值通过以 下公式求取：

其中，d为相邻两个超声波换能器之间的距离，c_x为超声波在介质中的传 播速度，x、y分别为探测目标的横坐标值、纵坐标值。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1、本发明能够直接有效地获取超声波在介质中的传播速度，得到精确的 数据实现对探测目标定位测试，具有实时、简单、有效和精确的优点，且无 需对介质进行取样。

2、本发明通过高精度元件的使用和几何数学的计算直接实时测量超声波 在介质中的传播速度，并得到精度的距离结果或物体的位置坐标，具有测量 简单、有效、直接、精确有益效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明所的系统电路结构示意图；

图3为本发明的流程示意图；

图4为本发明的5个主要步骤流程在数学关系上的具体体现图；

图5为本发明的超声波换能器等间距布置情形下的相关位置坐标示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施 例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参考图1所示，本发明公开了一种超声波测量系统，包括信号产生与分 析系统1及换能器阵列2，其中：

配合图1和图2所示，信号产生与分析系统1用于控制超声波信号的产 生与接收，测量发射波信号的时间差，经分析、计算得出超声波在介质P中 的速度、距离及坐标。信号产生与分析系统1包括通道控制模块11、超声波 发射模块12、超声波接收模块13、控制与数据处理模块14、计时器模块15、 显示模块16及电源模块17，控制与数据处理模块14与超声波发射模块12电 连接，超声波发射模块12输出端与通道控制模块11输入端相连接，换能器阵列2与通道控制模块11电连接，实现超声波信号的传输与接收，通道控制 模块11输出端与超声波接收模块13输入端相连接，超声波接收模块13输出 端与控制与数据处理模块14输入端相连接，将接收的信号数据传输到通道控 制模块11分析处理，计时器模块15与控制与数据处理模块14相连接，显示 模块16与控制与数据处理模块14电连接，用于数据显示与输出，可应用于 GPS定位显示和三维模型定位显示，电源模块17与其他各模块相连接，为各模块提供工作电源。

参考图1所示，换能器阵列2用于发送信号产生与分析系统1产生的超 声波，并接收反馈回波。换能器阵列2由三个超声波换能器组成，三个换能 器组成的阵列可提高测量精度。

实施例二

参考图3所示，本发明公开了一种超声波测量方法，其包括以下步骤：

S1、设置三个超声波换能器B、D、C的位置并固定，记录其物理检具参 数m、n，其中m，n分别为相连两个超声波换能器之间的距离。

S2、由超声信号产生与接收分析系统控制三个超声波换能器B、D、C， 获取任意两个超声波换能器之间的时间参数t_bd，t_bc，t_dc，t_bd、t_bc、t_dc分别为超 声波经过总长为(AB+AD)、(AB+AC)、(AC+AD)所需要的时间。其 具体获取方式为：

启动三个超声波换能器中的两个，其中任意一个用作超声波的发射，另 一个用作超声波的发射，记录对应的时间参数，重复以上操作，启动另外两 个超声波换能器，任意两个超声波换能器执行超声波的发送与接收操作，实 现两个超声波换能器之间的时间参数的测量与记录。

S3、由步骤S2所提取到的任意两个超声波换能器之间的时间参数t_bd，t_bc， t_dc，得到三个超声波换能器分别到探测目标的时间参数t_b，t_c，t_d，t_b，t_c，t_d的计算公式如下：

S4、基于步骤S3所得到的三个超声波换能器分别到探测目标的时间参数 以及S1中已知的相邻两个超声波换能器之间的距离参数m、n，求解超声波 在介质P中的传播速度，计算公式如下：

其中，c_x为超声波在该介质中的传播速度，c_xt_b，c_xt_c，c_xt_d分别为三个超 声波换能器到探测目标之间的距离。

S5、基于c_x、m、n、c_xt_b、c_xt_c及c_xt_d参数，以超声波换能器B的位置作为 作为参考原点，计算探测目标的坐标值。在本实施例中，超声波换能器等间 距布置，即m＝n。

以超声波换能器B的位置作为作为参考原点，探测目标的坐标值通过以 下公式求取：

其中，d为相邻两个超声波换能器之间的距离，c_x为超声波在介质P中的传 播速度，x、y分别为探测目标的横坐标值、纵坐标值。

为便于更清楚的理解本发明，图4示出了本发明各个步骤流程在数学关 系上的具体体现，其中图4(1)所示为三个超声波换能器B、D、C与探测目标 之间位置示意图，其中m、n分别为超声波换能器B与D以及D与C的间距， 图4(2)所示为从超声波发射到接收回波的三组时间差，图4(3)所示为三个超声 波换能器B、D、C到探测目标的时间计算公式，图4(4)所示为相关参数在几 何坐标系中的表现形式以及通过相应几何算法所求取到的传播速度cx、角度 θ以及探测目标坐标(x，y)的表达方式。图5示出了超声波换能器等间距 布置情形下，个超声波换能器B、D、C与探测目标之间位置示意图。

通过以上描述可以看出，本发明在不对被测介质取样情况下，通过多点 时间参数测量与几何学的求解方法，实现对超声音波在该介质中的传播速度 的测量和介质中探测目标的位置测量，本发明具有方法简单、实用、准确有 效。

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，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保 护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种超声波测量系统，其特征在于：包括信号产生与分析系统及换能器阵列，所述信号产生与分析系统用于控制超声波信号的产生与接收，测量发射波信号的时间差，经分析、计算得出超声波在介质中的速度、距离及坐标，所述换能器阵列用于发送所述信号产生与分析系统产生的超声波，并接收反馈回波。

2.如权利要求1所述的一种超声波测量系统，其特征在于：所述信号产生与分析系统包括通道控制模块、超声波发射模块、超声波接收模块、控制与数据处理模块及计时器模块，所述控制与数据处理模块与所述超声波发射模块电连接，所述超声波发射模块输出端与所述通道控制模块输入端相连接，所述换能器阵列与所述通道控制模块电连接，实现超声波信号的传输与接收，所述通道控制模块输出端与所述超声波接收模块输入端相连接，所述超声波接收模块输出端与所述控制与数据处理模块输入端相连接，将接收的信号数据传输到所述通道控制模块分析处理，所述计时器模块与控制与数据处理模块相连接。

3.如权利要求1或2所述的一种超声波测量系统，其特征在于：所述换能器阵列由三个超声波换能器组成。

4.如权利要求2所述的一种超声波测量系统，其特征在于：所述信号产生与分析系统还包括显示模块、电源模块，所述显示模块与所述控制与数据处理模块电连接，所述电源模块与其他各模块相连接，为各模块提供工作电源。

5.一种超声波测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、设置三个超声波换能器B、D、C的位置并固定，记录其物理检具参数m、n，其中m，n分别为相连两个超声波换能器之间的距离；

S2、由超声信号产生与接收分析系统控制三个超声波换能器B、D、C，获取任意两个超声波换能器之间的时间参数t_bd，t_bc，t_dc，启动三个超声波换能器中的两个，其中任意一个用作超声波的发射，另一个用作超声波的发射，记录对应的时间参数，重复以上操作，启动另外两个超声波换能器，任意两个超声波换能器执行超声波的发送与接收操作，实现两个超声波换能器之间的时间参数的测量与记录；

S3、由步骤S2所提取到的任意两个超声波换能器之间的时间参数t_bd，t_bc，t_dc，得到三个超声波换能器分别到探测目标的时间参数t_b，t_c，t_d，t_b，t_c，t_d的计算公式如下：

S4、基于步骤S3所得到的三个超声波换能器分别到探测目标的时间参数以及S1中已知的相邻两个超声波换能器之间的距离参数m、n，求解超声波在介质中的传播速度，计算公式如下：

其中，c_x为超声波在该介质中的传播速度，c_xt_b，c_xt_c，c_xt_d分别为三个超声波换能器到探测目标之间的距离；

S5、基于c_x、m、n、c_xt_b、c_xt_c及c_xt_d参数，以超声波换能器B的位置作为作为参考原点，计算探测目标的坐标值。

6.如权利要求5所述的一种超声波测量方法，其特征在于：

所述超声波换能器等间距布置，即m＝n；

以超声波换能器B的位置作为作为参考原点，探测目标的坐标值通过以下公式求取：

其中，d为相邻两个超声波换能器之间的距离，c_x为超声波在介质中的传播速度，x、y分别为探测目标的横坐标值、纵坐标值。