CN117214902A - 一种超声法移动位移量测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超声法移动位移量测量装置，其包括超声波前端发射电路，其用于产生脉冲激励电压、激励脉冲宽度和频率可调的超声波，并将超声波发射到被测物体上；接收电路，其将被测物体反射回来的超声波信号进行放大和滤波处理，然后通过A/D转换电路对信号进行采集，同时将采集的信号写入数据缓冲单元；数字信号处理单元，其接收数据缓冲单元的数据；主处理器，其用于调节上述超声波前端发射电路中激励电压和频率，以及实现信号的实时显示、储存以及和与外界的通信功能。该测量装置结合了超声波技术和位移测量技术，具有高精度、高稳定性和抗干扰能力强的特点。

Description

一种超声法移动位移量测量装置

技术领域

本申请涉及一种超声法移动位移量测量装置，特别是针对工程建筑领域进行超声移动位移量测量的装置。

背景技术

超声位移测量传感器是一种利用超声波技术来测量移动单元系统中工作部件位移距离的传感器。它结合了超声波技术和位移测量技术，具有高精度、高稳定性和抗干扰能力强的特点。

超声位移测量传感器是通过结合超声波技术和位移测量技术来实现对移动单元系统中工作部件的位移量测量的一种先进传感器。它在工业自动化、航空航天、汽车等领域具有广泛的应用前景。

发明内容

针对上述技术问题，本申请提供了一种超声法移动位移量测量装置，其包括：

超声波前端发射电路，其用于产生脉冲激励电压、激励脉冲宽度和频率可调的超声波，并将超声波发射到被测物体上；

接收电路，其将被测物体反射回来的超声波信号进行放大和滤波处理，然后通过A/D转换电路对信号进行采集，同时将采集的信号写入数据缓冲单元；

数字信号处理单元，其接收数据缓冲单元的数据；

主处理器，其用于调节上述超声波前端发射电路中激励电压和频率，以及实现信号的实时显示、储存以及和与外界的通信功能。

优选地，还包括探头，探头受上述超声波前端发射电路的激励而产生超声波。

优选地，上述超声波前端发射电路的激励脉冲宽度和频率之间的关系如下：

其中，f₀为探头频率，2a为脉冲宽度，n为自然数。

优选地，该超声波发射电路的连接关系如下：1.可调高压电源：为整个电路提供电压能量，连接到绝缘栅型双极晶体管的源极。2.第一电阻和第二电阻：分别连接在绝缘栅型双极晶体管的栅极和漏极上，构成一个电阻分压器，用于限制栅极电压，保证晶体管工作在安全范围内。3.能量存储电容：连接在绝缘栅型双极晶体管的源极和地之间，用于储存电能，并在需要时释放给晶体管。4.绝缘栅型双极晶体管：是电路的核心元件，负责放大电压脉冲，并将电能转换为超声波能量。它的基极通过第一快速恢复型二极管与地相连，以保证在开关状态下，基极电荷能够迅速放电。5.第一快速恢复型二极管：连接在绝缘栅型双极晶体管的基极和地之间，用于保护晶体管，防止反向电压损坏。6.第二快速恢复型二极管：连接在能量存储电容和地之间，用于保护电容，防止反向电压损坏。7.探头：将超声波能量转换为机械振动，并传递给被测物体，用于测量位移。它连接在绝缘栅型双极晶体管的漏极。这个电路的工作原理是：可调高压电源提供电压脉冲，经过第一和第二电阻分压后，驱动绝缘栅型双极晶体管开关。晶体管的开关速度由电阻分压器的电阻值控制。当晶体管导通时，能量存储电容释放电能，通过晶体管放大后，传递给探头，产生超声波。当晶体管截止时，第一快速恢复型二极管和第二快速恢复型二极管起保护作用，防止反向电压损坏晶体管和电容。

优选地，当激励脉冲为负脉冲时，绝缘栅型双极晶体管关断，高压电源通过第一电阻、第二快速恢复型二极管对上述能量存储电容充电；当激励脉冲为正脉冲时，绝缘栅型双极晶体管开通，上述能量存储电容通过绝缘栅型双极晶体管、第二电阻和第一快速恢复型二极管对探头放电。

优选地，所述超声波前端发射电路的发射功率为：

式中，U_A0为电容放电时的瞬间电压，C为电容容量，t为放电时间，P为有效功率。

优选地，所述数字信号处理单元用于运行如下算法：

式中，X为测量出移动单元系统中工作部件位移距离值；

V为测量时的超声声速；

t₀为当前温度下测量时时间；

优选地，还包括放大电路，上述主处理器还用于调节放大电路的放大倍数。如图1所示，在超声波测量系统中，主处理器不仅控制整个系统的工作，还包括对放大电路的调节。放大电路的作用是将超声波发射电路产生的信号进行放大，以便于被超声波传感器接收并转换为可用的信号。其连接关系说明如下：1.超声波发射电路：产生超声波信号，这个信号相对较弱。2.放大电路：对接收的超声波信号进行放大，增强信号的强度。3.超声波传感器：接收放大后的超声波信号，并将其转换为电信号。4.主处理器：控制超声波发射电路和放大电路的工作，并根据接收到的电信号进行相应的数据处理和分析。主处理器通过控制放大电路的放大倍数，可以调整信号的强度，以适应不同的测量环境和被测物体。同时，主处理器还可以根据接收到的信号，对超声波发射电路的工作状态进行调节，以保证系统的稳定工作和测量精度。以上就是超声波测量系统中主处理器、放大电路和超声波发射电路之间的连接关系。

上述测量装置结合了超声波技术和位移测量技术，具有高精度、高稳定性和抗干扰能力强的特点。

附图说明

图1为本申请的超声传感器系统示意图；

图2为本申请的激励脉冲电路示意图；

图3为本申请的高压电源电路示意图；

图4为本申请的传感器外观模型示意图；

图5本申请的液压杆伸长量检测装置的工作原理示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

首先，针对超声波技术、位移测量技术、传感器设计、算法和校准进行解释说明。

超声波技术：超声波是指频率高于人耳能听到的声音的声波。超声波在介质中传播时，会受到介质的密度、压力等因素的影响，从而改变其传播速度和衰减程度。利用超声波的这些特性，可以通过测量超声波的传播时间和衰减程度来推断介质的性质和状态。

位移测量技术：位移测量技术是测量移动单元系统中工作部件位移量的技术。在移动单元系统中其工作部件的移动可通过液体、气体或其他非固体介质在封闭系统中传递力和能量。液体的压力是一个重要的参数，它反映了系统中液体所受到的力的大小。通过测量液体的压力，可以了解系统的工作状态和性能。

传感器设计：超声位移测量传感器的设计需要考虑到超声波在介质中的传播特性及影响。传感器通常由超声波发射器、接收器和信号处理电路组成。发射器负责发射超声波信号，接收器负责接收反射回来的超声波信号，信号处理电路对接收到的信号进行处理和分析，再由处理单元进行数据分析得到移动单元系统中工作部件的位移距离。

算法和校准：通过算法来计算移动单元系统中工作部件的位移量以保证设备的正常运行。涉及到测量超声波的传播时间和衰减程度，并将其转换为相应的位移量。此外，为了确保传感器的准确性和稳定性，去除温度对超声的影响，需要进行校准和调试工作，以消除误差和非线性。

其中，传感器设计：首先需要设计超声位移传感器的结构和工作原理。传感器通常由超声波发射器和接收器组成，发射器负责发射超声波信号，接收器负责接收反射回来的超声波信号。传感器的结构设计要考虑到信号的传输和接收效果，以及对环境的适应性。

超声波信号发射：传感器通过发射器发射超声波信号，通常采用脉冲式发射方式。发射器将电信号转换为超声波信号，并将其发送到被测物体上。

超声波信号接收：接收器接收被测物体反射回来的超声波信号。接收器将接收到的超声波信号转换为电信号，并将其传输给后续的信号处理电路。

传感器在超声信号发射接收后进而采用算法和信号线进行信号处理、算法计算，然后再将信号传输到显示模块进行显示。

信号处理：传感器的信号处理电路对接收到的电信号进行处理和分析。这包括滤波、放大、时钟同步等步骤，以提取出有效的位移信息。

位移计算：通过对接收到的超声波信号进行处理和分析，可以计算出被测物体的位移。这通常涉及到时间差测量、波速计算等算法。

输出结果：最后，传感器将计算得到的位移信息输出给用户或其他系统。输出可以是模拟信号或数字信号，具体形式取决于传感器的设计和应用需求。

下面结合附图对本申请实施例进行说明。

如图1所示，本申请将由FPGA处理器作为主控制器，通过电源供电进行工作，主控制器通过通信电路进行与外部设备的信息交流，反馈所采集到的信号，控制器所采集到的数据将通过数据存储芯片进行信息存储。主控制器通过发射电路输出信号给超声探头，超声探头发出超声波进行检测被测设备的长度变化。探头会通过限幅电路进行信号幅值的限制，经由放大电路放大电信号，再通过过滤电路过滤掉杂波或噪声，然后经过模拟/数字电路的转换，将模拟信号输出电信号，临时存放在FIFO缓冲器中，最后通过DSP数字信号处理器处理输出的电信号返回主控制器。

超声位移传感器的具体实施方式可以分为以下几个步骤：如图4所示，超声传感器模块的外部机械模块主要负责将超声探头固定在被测伸长量装置上，以保证传感器能够更好地在装置内部工作。其连接关系如下：接口模块：负责与外部设备(如计算机、控制器等)进行通信，接收外部设备的指令和数据，并将这些信息传输给信号传输模块。信号传输模块：负责将接口模块接收到的指令和数据传输给超声传感器模块，同时将超声传感器模块采集到的数据传输回接口模块，以便外部设备进行处理。超声传感器模块：是整个超声传感器的核心部分，负责发射和接收超声波，并通过外部机械模块将超声探头固定在被测伸长量装置上。外部机械模块：负责支撑和固定超声探头，以便其在被测伸长量装置上工作。同时，外部机械模块还负责将超声传感器模块产生的信号传输给信号传输模块。通过以上四个模块的协同工作，超声传感器可以实现对被测物体的准确测量。

数字信号处理单元DSP接收有A/D转换器经FIFO缓冲后的数据，主要完成计算结构复杂的信号处理算法，提高超声探伤仪的精度和数据处理能力。

主处理器FPGA处理器主要完成两个部分功能：一是控制功能，调节激励脉冲的宽度和重复频率以及放大电路的放大倍数；二是实现信号的实时显示、储存以及和外界的通信等功能。FPGA处理器采用基于FPGA的16/32位的微处理器，其内核频率最高为400MHz，功耗低，体积小，集成外设多，数据处理好，因而可广泛应用于手持设备等。

对超声检测系统而言超声发射和回波检测是超声波信号与电信号的转换技术，超声驱动和回波检测电路性能对整个超声测试仪系统有至关重要的作用。在控制电路的控制下发射出驱动信号驱动超声换能器发射超声波信号，同一换能器接收到超声波信号后将其转换成电压信号,然后送入放大滤波电路对信号进行放大滤波处理，最后通过检测电路对信号进行检测处理。

根据被检测的材料、厚度等不同条件，所需的相应超声波探头的频率、发射电压也不同。发射的超声波频率一般为几MHz，高压激励脉冲一般到几百伏，脉冲的上升时间不超过100ns。根据频谱分析，激励脉冲宽度和探头频率之间存在着最佳关系式，当脉冲宽度满足这一关系式时，接收探头的接收信号质量最好。该关系式即为：

式中，f₀为探头频率，2a为脉冲宽度。本设计所选探头频率为2.5MHz，由式(1)确定的脉冲宽度为600ns，所以放电时间应尽量控制在600ns。

超声波发射电路如图2所示，各部件及其连接关系如下：Vi为可调高压电源：用于为电路提供可调的直流电压，通过调整电源输出电压，可以改变超声波发射电路的工作电压。电阻R1和R2：用于与能量存储电容C串联，组成一个充放电电路，用于为绝缘栅型双极晶体管IGBT提供脉冲电流。能量存储电容C：用于用于存储电能，当电阻R1和R2充电时，电容C也充电；当电阻R1和R2放电时，电容C放电，为IGBT提供脉冲电流。绝缘栅型双极晶体管IGBT：用于作为超声波发射电路的核心元件，可以承受高电压、大电流，具有开关速度快、导通电流大等特点。在脉冲反射法中，IGBT在开关状态下工作，将电能转化为超声波能量。快速恢复型二极管VD1、VD2：用于保护IGBT，当IGBT开关断开时，二极管VD1、VD2可以限制反向电压，防止IGBT损坏。探头：用于将超声波能量转化为机械能，实现超声波的传播。各部件之间的连接关系如下：①可调高压电源的正极连接到电阻R1的一端，负极连接到IGBT的集电极，通过调整可调高压电源的输出电压，可以改变IGBT的工作电压。②电阻R1的另一端连接到能量存储电容C的一端，电容C的另一端连接到电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接到IGBT的发射极。③快速恢复型二极管VD1连接到电阻R1与电容C之间，VD2连接到电阻R2与IGBT发射极之间。④探头连接到电阻R2的另一端，将超声波能量传递到外界。通过以上连接关系，电路可以实现超声波的脉冲发射。在实际应用中，通过调整可调高压电源的输出电压，可以改变超声波发射电路的工作状态，以满足不同场景的需求。FPGA微处理器的PWM模块产生频率和占空比可调的脉冲，经IGBT的驱动和保护电路后送入开关管VQ的栅极形成可控的激励脉冲V1。当V1为负脉冲时，IGBT关断，高压电源通过R1、VD2对电容C充电，充电时间常数为T1＝C(R1+R3)。当t>5T1时，认为电容C充满。当V1为正脉冲时，IGBT开通，电容C通过开关管VQ、R2和二极管VD1对探头放电，放电时间常数为T1＝C(R2+R3+R4)。超声波探头收到高压负脉冲的激励后便产生一定频率的超声波。

在超声收发电路中考虑到电子元件对电路可靠性的影响，所以分析各个元器件的作用：

1)电阻R1用来限制充电时高压电源对电容C的充电电流，即起到限流作用，并减小发射单元工作时对电源的影响，从这点考虑，要求电阻R1阻值越大越好。另一方面，电路的重复频率f较高，为了使电容C在触发前能充满电，就必须满足CR1<1/5f。所以要选择合适的电阻R1的阻值。

2)电阻R2有2个作用：一是调节放电时间和发射功率，二是作为阻尼电阻，调节超声脉冲宽度。R2的阻值越小，发射功率越小，发射脉冲越窄；R2阻值越大，发射功率越大，发射脉冲越宽。

3)快速恢复型二极管Vd1、Vd2滤去充电脉冲，使A点只有放电时的负电压激励脉冲。

放电时，电流i与电压UA的关系式如式(4)、式(5)所示。

本申请的电路板可激发探头产生0.5—10MHz的超声波，激励脉冲电压最高可达800V。

声波发射电路对激励电压脉冲要求较高，需要一定的幅值，而且脉冲宽度要求越小越好，且须有一定的发射功率，这决定了穿透的螺栓长度。如果要穿透较长的螺栓，就需将较大的电功率转换成声功率。发射功率为：

式中，U_A0为电容放电时的瞬间电压，C为电容容量，t为放电时间，P为有效功率。

当放电时间常数确定后，放电时间和C即确定。所以加大发射电压是提高发射功率的主要途径，由放电电压公式可知，除电路中的各个电阻影响外，高压电源的电压是一个主要因素。但电压又不能太高，否则会使压电晶片加速老化。

图3所示的高压电源控制电路主要包括以下部件：管脚1接入输入电源：为高压电源模块提供12V的输入电压。管脚2用于控制电压输入：连接到控制电压源，提供0-5V的控制电压。管脚3为高压电源模块：接收输入电压和控制电压，输出0-800V的电压。管脚4用于输出电压监测：用于监测高压电源模块输出的电压，以确保输出电压在设定范围内。管脚5为自保护电路：当输出电压超过设定范围或出现其他异常情况时，自保护电路会启动，切断高压电源模块的输出，以保护电路的安全。各部件之间的连接关系如下：①输入电源连接到高压电源模块的输入端，为高压电源模块提供工作电压。②控制电压输入连接到高压电源模块的控制端，通过改变控制电压的大小，可以改变高压电源模块的输出电压。③高压电源模块的输出端连接到输出电压监测，输出电压监测可以实时监测高压电源模块的输出电压。④输出电压监测和自保护电路连接，当输出电压超过设定范围时，自保护电路会启动，切断高压电源模块的输出。通过以上各部件的协同工作，高压电源控制电路可以实现对高压电源模块的精确控制，以满足系统的工作需求。FPGA微处理器输出的控制信号经D/A转换后可输出0—5V的控制信号V2，相应的高压电源模块即可输出0—800V的电压。图3中的其他管脚的功能可以参照相应型号的芯片理解。

当采集模块接收采集后的数据时，进行计算，因存在温度对超声的影响，所以要对算法进行优化，如下：

式中，X为测量出移动单元系统中工作部件位移距离值；

V为测量时的超声声速；

t₀为当前温度下测量时时间；

图5示意出了液压杆伸长量检测装置的工作原理如下：液压杆包括缸体和拉杆，缸体上设有进油口，拉杆与缸体相连，当液压系统工作时，拉杆会因为受到液压力的作用而产生伸长。超声位移传感器安装在液压杆上，用于测量拉杆的伸长量。超声位移传感器通过发射和接收超声波，可以精确测量拉杆的位移情况。信号处理模块：用于与超声位移传感器相连，用于接收超声位移传感器传输的信号，并将这些信号转换为可以被主处理器处理的数字信号。主处理器(图中未示出)用于负责控制整个系统的工作，并根据超声位移传感器测量出的液压杆伸长量，对液压系统的工作状态进行监测和控制。主处理器可以通过调节液压系统的工作参数，如流量、压力等，来实现对液压杆伸长量的控制。显示器(图中未示出)用于显示液压杆的伸长量，方便操作人员了解液压系统的工作状态。接口模块(图中未示出)负责与外部设备(如计算机、控制器等)进行通信，接收外部设备的指令和数据，并将这些信息传输给信号处理模块。各部件之间的连接关系如下：①液压杆的进油口与液压系统的供油管道相连，使液压油可以流入缸体，驱动拉杆产生伸长。②超声位移传感器安装在液压杆上，通过发射和接收超声波，测量拉杆的伸长量。③信号处理模块与超声位移传感器相连，接收超声位移传感器传输的信号，并将这些信号转换为数字信号。④主处理器与信号处理模块相连，接收信号处理模块处理后的数字信号，并根据这些信号对液压系统的工作状态进行监测和控制。⑤显示器与主处理器相连，用于显示液压杆的伸长量。-接口模块与外部设备相连，接收外部设备的指令和数据，并将这些信息传输给信号处理模块。通过以上各部件的协同工作，液压杆伸长量检测装置可以实现对液压杆在工作过程中的伸长量的精确测量，从而实现对液压系统的有效监测和控制。

需要注意的是，具体实施方式可能因不同的超声位移传感器而有所差异。不同的传感器可能采用不同的技术和算法，但总体上遵循以上步骤进行设计和实施。

应理解，说明书通篇中提到的“在本申请实施例”或“在一些实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本申请实施例”或“在一些实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种超声法移动位移量测量装置，其包括：

超声波前端发射电路，其用于产生脉冲激励电压、激励脉冲宽度和频率可调的超声波，并将超声波发射到被测物体上；

接收电路，其将被测物体反射回来的超声波信号进行放大和滤波处理，然后通过A/D转换电路对信号进行采集，同时将采集的信号写入数据缓冲单元；

数字信号处理单元，其接收数据缓冲单元的数据；

主处理器，其用于调节上述超声波前端发射电路中激励电压和频率，以及实现信号的实时显示、储存以及和与外界的通信功能。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括探头，探头受上述超声波前端发射电路的激励而产生超声波。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，上述超声波前端发射电路的激励脉冲宽度和频率之间的关系如下：

其中，f₀为探头频率，2a为脉冲宽度，n为自然数。

4.如权利要求1至3任一项所述的测量装置，其特征在于，上述超声波发射电路由可调高压电源、第一电阻和第二电阻、能量存储电容、绝缘栅型双极晶体管、第一快速恢复型二极管、第二快速恢复型二极管和探头组成，并由绝缘栅型双极晶体管的栅极形成激励脉冲。

5.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，当激励脉冲为负脉冲时，绝缘栅型双极晶体管关断，高压电源通过第一电阻、第二快速恢复型二极管对上述能量存储电容充电；当激励脉冲为正脉冲时，绝缘栅型双极晶体管开通，上述能量存储电容通过绝缘栅型双极晶体管、第二电阻和第一快速恢复型二极管对探头放电。

6.如权利要求1至3任一项所述的测量装置，其特征在于，所述超声波前端发射电路的发射功率为：

式中，U_A0为电容放电时的瞬间电压，C为电容容量，t为放电时间，P为有效功率。

7.如权利要求1-3任一项所述的测量装置，其特征在于，所述数字信号处理单元用于运行如下算法：

式中，X为测量出移动单元系统中工作部件位移距离值；

V为测量时的超声声速；

t₀为当前温度下测量时时间。

8.如权利要求1至3任一项所述的测量装置，其特征在于，还包括放大电路，上述主处理器还用于调节放大电路的放大倍数。

9.一种液压杆伸长量检测装置，其包括缸体和拉杆，其特征在于：在上述缸体上与上述权利要求1至8任一项所述的测量装置相连接。