CN1746700A - 一种基于超声波或声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于超声波或声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量方法及其装置，可在超声或声呐传感器工作频率的周期内将接收器所接收到的声压波长按相位等分成至少是28～210细分数，并在此相位码的基础上经逻辑运算得到粗位码(波数)的增量计数脉冲。输出数据率可高达40kHz(即超声波传感器的工作频率)左右。信噪比高，重复度好，测量结果受环境影响小，可免去温度、气压、湿度等参量的修正。测量速度、分辨率、重复度及准确度与传统的回波法相比可提高1－2个数量级。可用于高速位移的实时测控，也可兼容静态或缓慢运动的位置测量，从而拓宽了超声波或声波的位移/距离测量的应用领域，具有广阔的市场前景。
Description
所属技术领域
本发明涉及在气体或液体介质中用超声波或声波测量被测物体的动态位移或距离的方法和装置，具体地是指：在连续的超声波或声波声场中检测被测对象所在物理位置的超声波或声波相位从而确定其动态位移或距离编码(数字量)的一种方法及其相应的测量装置。
技术背景
超声波或声波(以下简称超声波)测长、测距、测位移有着很长的历史，也是一种具有发展前景的、成熟的、无损、非接触测量方法。进入新世纪以来，高科技、工业、国防装备和民用各领域的飞速发展，呼唤着超声波测长、测距及测位移的技术指标在现有基础上的新突破。如果输出数据速率、分辨率、重复度、准确度等主要技术指标在原有的基础上再提高1～2个数量级，就可以更大地拓宽超声检测的应用领域，提高我国超声检测和测量的科技水平。
2005年8月中旬发明人在英特网、以及2005年9月第八届武汉国际机电博览会上得到了德国、美国著名的传感器公司，国内中科院系统、军工系统及国有、民营专业公司和研究机构有关超声波传感器及测量装置的许多技术资料。经分析研究，认为：现有商品化的超声测距传感器及其检测装置的确设计、制造精美，完善，既有标准，又成系列，应用广泛，其主要技术指标几乎已经达到该检测原理及检测方法的极限。这此产品都是采用从超声波发射器发射单脉冲到接收器所在位置接收到第一个回波的时间差来计算发射传感器与被测对象(接收器)之间的距离的。其工作原理为时间差法，又称飞点法(TOF)，也就是常称的回波法。这与无线电技术中雷达测距和光学视觉传感器检测无线电波或光波从传感器发出经被测物反射后回到原处来回经过的时间而得到距离的原理是一样的：
其时间和被测距离的基本关系是
L＝(1/2)ct (1)
计算公式(1)中，L为被测距离，1/2为反射方式工作时，距离为测量波经过的一半路程，c为超声波在该介质中的传播速度，t为超声波往返所经过的时间(其检测原理参见见图1、图2、图3)。
当然若为雷达测距，其中c为无线电波在介质中的传播速度，若是激光或红外测距，则c为激光波或红外波在测量介质中的传播速度。超声波测距与它们相比，除在测量时间的获取和处理上比较容易，设备成本较低外，存在以下三个不足(参见图1，图2及图3)：
(A)声速c，声速远没有光速和无线电波在空气中的传输速度稳定(光速经温度、湿度、气压精确修正后一般能达到1ppm量级)，受介质(空气或水、油等)的体积弹性模量与密度之比的平方根制约。温度、湿度、气压以及介质的成份及含量，会严重影响声波的传播速度。如果没有合适、科学、实时的校正办法，则测量精度是难以有所提高的。现有的产品在准确修正温度误差(±1℃以内)的条件下，最高精度也只能达到0.1％D(D为测量距离)，而且现有产品都没有考虑气压、湿度、气体成份和含量等对声速的影响，故现有产品所标定的精度指标是值得质疑，需要进一步验证的。
(B)超声传感器发出的纵波是一种机械波，它产生的是一种活塞源声场，不可能没有惯性，通过仿真和样品的直接观测，频率越低惯性越大，因此只发射单脉冲对测量是非常不利的。所以有的产品改用较高的工作频率(130kHz以上)以减小惯性的影响，但在气体中传输的损耗比40kHz的传感器高。当控制线路发出一个单脉冲到发射传感器(换能器)，它一接收到信号，就开始作相应的机械振荡，但由于惯性，不能一下子达到额定的机械纵波的最大幅值，如果没有后续电流的驱动，该换能器发出机械纵波的机械能量不足连续声场的10％。所以单脉冲工作方式的信噪比是不够理想的。当超声波工作频率为40kHz或60kHz的超声低频端频率时，在气体中传输的损耗比超声高频端的传感器为小。但由于惯性，此时接收器得到单脉冲回波的幅值很小且不稳定，易受各种干扰的影响。故回波法必须配置较高的驱动电压以提高信噪比。同理，当单脉冲发射停止后，机械惯性使发射传感器留有以指数曲线衰减的余振(参见图3)，这对后续信号的处理也是不利的。所以这种信号发射和接收方式得不到较高的重复度，即使提高了装置的分辨率(有的论文称可高达ns级的高分辨率)，但由于信噪比差，重复度差，这样过高的分辨率实质上是无意义的。
(C)传统的单脉冲间隙工作法即飞点法(TOF)，它必须在接收传感器收到上一个单脉冲的测量回波后才能进行第二周期的测量，所以测量周期(T)随量程的增加而增加，这样不可能得到较高的数据输出率，因而动态跟踪性能较差，这就严重限制了该法在动态检测的应用。例如，对于量程为10m的超声波测长或位移测量装置，其最高输出数据的速率不会超过17Hz，对于单头发射和接收合一的系统需要发射和接收的转换时间以及D/A转换，不仅会出现测量盲区，而且输出数据的速率就更低。
由此可见，要提高超声传感器测量位移或测量距离的主要技术指标必须突破传统回波法在测量原理上的限制，另辟蹊径。发明人根据自已在莫尔光栅、感应同步器、容栅、CCD+条码以及球栅、静磁栅、FBG、FOG等精密相位检测方面的工作经历和学识，提出“一种基于超声波或声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量方法及其装置”这种新颖的技术方案，同时研制了具体的原理样机，构建了在对射、反射、空气中、水中、油中运行，以及单头和阵列工作方式等试验平台，验证并优化了相关解决方案。
发明内容
本发明的目的是在不改变超声波传感器硬件结构的基础上，克服现有超声波回波测距法及其装置存在的不足，提供一种基于超声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量新方法。该测量方案与传统的回波法相比，能量利用率高，信噪比好，输出数据率快，分辨率高，重复度好，测量结果受环境影响小，准确度高，且可采用低频端的超声传感器，所需传感器的来源广泛，且价格较低，总的制造成本不高，易于普及和推广。
本发明的技术解决方案如下：一种基于超声波或声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量方法，包括以下步骤：
1)由发射器在气体或液体介质内发射连续的超声波，在其声场测量范围内设置对射/反射接收器(包括反射物体)接收连续超声波即启动时刻首个回波以后的声场(以下略称连续声场)；
2)采用分频器将所接收的连续超声波的每一波长按相位等分成至少是百位数的份数，并将接收器所在位置的低位码(精码)即相位码以相应的二进制编码值表示；
3)将接收器(被测对象)所在位置接收到连续超声波在基频(超声波工作频率)鉴相时刻(规定信号从负向正穿越时间轴(反之亦可)的瞬间)不足一个整波长的波形信号以相位等分的份数作为波数的小数(相位码)表示，其波数(粗码)的增量由相位码进位或退位得到，则被测对象的全量位置绝对编码即为相位码+粗位增量码+启动时刻获取的粗码(波数)；
4)以粗码加上相位码即形成全量位置绝对编码值，再乘以发射器波长(修正环境参量后)的方式，得到发射器至接收器(被测对象)之间的位移/距离数值，或者；
5)先按步骤1)——步骤3)中的方法测量一标准量具长度的全量位置绝对编码值，将所测得的长度编码值(在这里是随环境因素变化着的)作为基准(分母)，再测量被测对象的全量位置绝对编码值(在同一测量环境中)并以此作为分子，将分子与分母相除所得到的比值再与标准量具长度的数值相乘，即为发射器至接收器(被测对象)之间的位移/距离数值。
本发明方法的步骤2)中采用N+M级计数器将接收到连续超声波或单个回波的每一波长按相位等分成256～1024份，并以多位的二进制整数和小数位表示全量位置绝对编码。
本发明方法的步骤3)中先由发射器发射连续超声波作为启动，由接收器(被测对象)得到一个从启动时刻到收到第一回波，并延迟了固定周期后产生一个信噪比得到改善了的鉴相脉冲，获得的全量位置绝对编码值来作为该次测量的零点，并以此计算发射器至接收器(被测对象)之间的绝对距离值(需补偿相应的延迟时间值)。
本发明方法的步骤3)中发射器先用第一频率工作，接收器在一个周期内得到一组相位码B1，然后关闭第一频率，发射器用第二频率工作，接收器在一个周期内得到另一组相位码B2，相位码B1与相位码B2的差值即为发射器至接收器(被测对象)之间的粗码函数，该粗码函数值组合第一频率的相位码，即为接收器(被测对象)的全量位置绝对编码，第一频率和第二频率都在发射器主振工作频率范围之内，但是存在一个固定的稳定的频差。
一种基于超声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量装置，包括主振荡器、发射器及发射器驱动电路、接收器及接收信号处理电路、相应的逻辑数字电路、并行码及串行码接口电路、微处理器及显示器等部件，其特征在于：主振荡器与二进制的N+M级计数器连接，构成全量位置编码基准系统，该系统产生的基频信号进入发射器驱动电路，经初步滤波、选频放大和电流放大后由测量发射器发射，该系统测量通道中的接收器接收到的模拟信号进入测量接收器信号处理电路，经前置放大器，限幅放大器及鉴相脉冲形成电路处理后进入全量位置编码器进行采样，获得接收器(被测对象)在连续声场中全量位置绝对编码值，再经接口部件及微处理器运算处理后得到接收器(被测对象)相对发射器位移/距离数值，其测量结果送入显示器显示或送上位机。
本发明装置的发射器驱动电路上并联有由校正发射器和校正接收器组成的校正通道，其校正接收器接收的信号进入校正接收器信号处理电路，经前置放大器、限幅放大器及鉴相脉冲形成电路处理后，所得到的校正鉴相脉冲作用于校正相位寄存器，通过校正相位寄存器从相位编码器中采集到校正相位码，而得到该定长(距离)实时的相位码，锁存在校正相位寄存器中，然后将校正通道内的相位编码与测量通道的相位编码通过接口同时送给CPU进行运算。
本发明装置在全量位置编码器上还接入有零位置数控制电路和粗码增量脉冲形成电路，当接收器的信号进入全量位置编码器时，其粗位码寄存器中可逆计数器的置数端得到粗位编码器(第二分频器)的零位波数码后立即用高电平封死，并将所取得的相位码在粗码增量脉冲形成电路内进行逻辑及微分或积分运算，以及时获得该瞬间(鉴相时刻)粗位码的增量计数脉冲。
本发明装置在测量接收器信号处理电路和校正接收器信号处理电路的信号入口端分别设置有固定延迟器。
在发射器驱动电路中电流放大器的前端设置有升压放大器并且选频放大器采用双T低噪声运算放大器，测量接收器信号处理电路和校正接收器信号处理电路中的前置放大器采用双T低噪声运算放大器。
本发明方法及装置的有益效果是：
1)本发明的测量原理可以克服和弥补传统超声波回波测距法的不足：即在检测时不是用一个超声传感器进行发射和接收的分时控制和间歇测量，而是在对射和反射工作方式时，都是测量连续的声场，解决了测量速率的根本问题。输出相位编码数据率高，可达超声波工作频率±相对运动速度/在该介质中的传输波长的输出速率，例如对于在气体中相对运动为1m/s速度的40kHz超声传感器，其一帧位置编码(16位～22位并行码)的输出速率达到40kHz±120Hz左右；使测量的响应速度从1秒或另点几秒，提高到25微秒左右，从而得到该瞬时位置的全量绝对编码值，而且不必进行A/D转换，就能以一帧二进制并行码的方式通过接口部件(如8255集成电路)直接送进CPU进行处理。本发明的波数(粗位)增量码(可逆计数脉冲)由相位码经高速逻辑运算产生，通过增量脉冲在可逆计数器中的累加，从而在25微秒左右就可得到跟踪状态下的全量绝对位置编码值。
2)通过本发明技术方案中的相位和波数测量基准，将位置坐标与时序坐标完全映射起来。在一个波长内很容易做到等分28或210。本装置可将在气体或液体传输介质中的超声波波长相位细分到1/28～1/210，例如对于对射式，在空气中测量动态位移，分辨率可达0.039～0.0083mm左右；对于反射式，分辨率可达0.02～0.0042mm左右；更主要的是本发明充分利用超声传感器发射及接收的谐振特性，能量利用率高，因而信噪比高，具有与分辨率相匹配的读出重复度。
3)本发明方法在执行预定的长度测量程序时，可适当插入在同等环境中对标准量具如量规等长度的波数及相位的检测和定标(得到分辨率较高的标准量具相位等分总数值)，并以此为基准数值，按比例(将被检测距离或长度的相位等分总数值)折算成被检测距离或长度的计量数值。当然，在时间许可的情况下应先选择最合理的周期进行平差。此法可免去温度、气压、湿度及气体成分等参量的修正，因为人为的参数修正要在现实条件中做到理想化，几乎是不可能的。本发明采用自适应及综合修正的方法，其动态测量结果受环境影响小，算法简单、可靠，因而测量精度比传统的回波法要高得多。这种相对智能式实时修正方法是自适应的，全自动的。可将误差降低到最低程度。根据初步试验，上述主要性能指标的改善都在实践中得到了验证。
本发明技术方法简单，使用、安装、维护方便，工作可靠，可采用适合在气体和液体内工作的低频端的超声传感器，生产成本低，应用范围广泛。
附图说明
图1是传统对射式超声波测距框图
图2是传统反射式超声波测距框图
图3是传统式超声波测距(回波法)波形图
图4是连续超声场中对射式检测位移/距离原理图
图5是连续超声场中反射式检测位移/距离原理图
图6是在某瞬间接收器的相位码与它在声场中的位置关系示意图
图7是接收信号相对发射信号的相位差表示接收器在声场中(发射声场零相位瞬间)一个波长内的位置
图8是基于超声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量装置的工作原理图
图9是鉴相式全量位置编码器结构及功能图
具体实施方式
以下结合附图说明具体实施方式，并对本发明作进一步的理论推导和详细描述；
本发明的基于超声波连续声场的位移或距离鉴相测量的原理、方法及测量装置的布局、结构和工作步骤如下：
1)对射式布置：参见图4，在测量主通道内布置超声波发射器5，在另一端布置一个接收器6，其中一个固定，另一个随测量对象可以作相对运动；为了自适应、综合修正环境因素产生的误差，可布置特定的误差综合修正的校正通道，其中发射器12可用发射器5的信号同时激励，接收器13与发射器12相对固定，而它们之间的距离为设计的固定标准长度(由计量单位配合标定)。发射器5及发射器12从启动时刻起，发射一个连续的超声波(或声波)序列，二个接收器分别接收该声场信号并作相应的信号处理。
2)反射式布置：参见图5，在测量主通道内，将超声波发射器5，与接收器6布置在一边，并且相对固定，另一个随测量对象可以作相对运动是一个反射物体(如一面镜子或一块光洁的金属板)，它的测量基准可视作反射体的等效波阵面；同样为了自适应、综合修正环境因素产生的误差，需布置校正通道，其中发射器12可用发射器5的信号同时激励，接收器13与发射器12相对固定，相对补偿反射板为定长，其中的距离为设计的固定标准长度，其布置(反射、对射均可)位置只要求与测量主通道置于同一环境中，并且避免突发性的扰动。发射器5与发射器12从启动时刻起，发射同一个连续的超声波或声波序列，接收器6及接收器13分别接收相应通道实质上是同一声场的超声场声强信号。
此时，发射器发出的纵波型式的连续声场，超声场中某一点在某一瞬间(发射声场零相位时)所具有的压强p1，与没有超声场存在时同一点的静态压强p0之差叫作该点的声压，常用p表示。P＝p1-p0，单位为帕[帕斯卡]，记作pa(1pa＝1N/m2)。
对于平面余弦波为：
p＝pcAωcos[ω(t-x/2)+π/2] (2)
式中，ρ---介质的密度，c----介质中的波速，A----介质质点的振幅，ω----介质中质点振动的圆频率(ω＝2πf)，Aω---质点振动的速度振幅(V＝Aω)，t---时间，x---至波源的距离。
且有：|pm|＝|ρcAω| (3)
式中，pm---声压的极大值。
可见声压的绝对值与波速、质点振动的速度振幅(或角频率)成正比。因超声波的频率高，所以超声波比声波的声压大得多。
从公式(2)可见，接收器6在连续声场中得到的声压信号是上述各参量的函数，其中在介质密度ρ，声速c，频率f，介质质点的振幅A已知的情况下，是时间t及接收器到发射器或接收器和位于同侧的发射器与反射目标之间距离的余弦函数。展开cos[ω(t-x/2)+π/2]函数，可以得到声压ρ与时间t及距离x之间的相位关系式。
Ir＝I0/rn×e-2αr (4)
上式(4)为超声波在介质中传播的衰减表达式。式中Ir-初始声强，r-测点离开声源的距离，α-吸收系数，反映吸收和散射的性质，与声波频率有关。一般来说，频率越高，α越大，声波衰减也越快。因此，同样功率的声波，高频声比低频声在空气和液体介质中传播距离要短得多，所以只要没有同频率的超声干扰，在气体或液体中位移或距离的测量尽可能采用40kHz低端的超声波。
由于本技术方案采用的是鉴相法，对声压的强度要求并不苛刻，幅值的衰减与测量精度并不是一一对应的关系，而仅影响1个或几个分辨率。但是对测量通道上的信噪比要求还是比较高，特别是穿超时间轴时刻(零相位时刻)，否则会达不到预期的重复度和精度要求。因此在本技术方案中，采用双T选频放大器进行有效地滤波。当然如果精度的设计指标要保持在1个分辨率之内，则必须要在接收器之后的前置放大器内设计有增益自控功能(AGC)，以保持在整个量程内输出的声强幅值一致性，从而确保重复度及准确度的一致性。
公式(2)p＝pcAωcos[ω(t-x/2)+π/2]可简化为：
p＝Kcos[ω(t-x/2)+π/2] (5)
式(5)中，K为接收器声强的综合系数。
p＝Kcos[(ω(t-x/2)]cos[π/2]-Ksin[(ω(t-x/2)]sin[π/2]
p＝-Ksin[(ω(t-x/2)) (6)
当t＝0，2π，4π等与发射器的声场同相位时则
p＝Ksin(ωx/2)＝Ksin(πfx) (7)
f＝c/λ (8)
将(8)代入(7)得：
p＝Ksin(πcx/λ) (9)
(9)式的物理意义为：接收器接收到的声压在发射器零相位时是与声速c、波长λ、和位置x乘积的周期性正弦函数，当c为某个确定值时，声强是位置量x与波长λ比值的相位关系而且以波长λ为分布周期(参见图6)。当发射器信号与接收器之间的相位差为0°、90°、180°、360°时，相当于接收器位于发射声场中波长的起点、1/4波长、1/2波长、3/4波长处(参见图7)。
在连续声场测量过程中，接收器与声源之间发生相对位移时，则接收到的振荡频率将有变化。当它们之间靠近时，接收信号的频率就增加，反之则降低。频移数量为：
Δf＝V/λ 子 (10)
式中，V---相对超声波传播方向的运动速度，λ---超声波波长，Δf为多普勒效应中的频差。
根据上述工作原理的介绍，相应的检量装置总体布局、功能和电路结构见图8，因图面有限，但为了更清楚地表达本发明的创新思路，特将本发明的核心部件-逻辑数字电路即鉴相式全量位置编码器的结构及功能图单独表示在图9中。
下面对图8、图9结合起来再作一次简单的综合说明，从中可得到具体的工作步骤如下：
1)当装置通电并启动时，系统中的由主振荡器1，相位编码器2和粗位编码器3组成的核心电路称为“全量位置编码基准部件”开始工作，主振荡器1象心脏一样不间断地输出主振脉冲(工作频率为40kHz的传感器，可采用10.24MHz/40.96MHz晶振)，进入二进制N级同步计数器即相位编码器2分频，主振的频率应是超声波工作频率的1/2n。N为本技术方案中一个波长λ的细分数，波长λ与细分数2n之比为ε，ε为本方案的最高读出分辨率。
即：ε＝λ/2n (11)
2)此时通过N级分频得到预定的超声传感器工作频率F0(基频)，还要继续进行M级分频即粗位码编码器3，二进制的N+M级分频器成了本电路基准相位系统，它将超声波测距的长度座标用主振频率为分辨率(对对射式而言，若是反射式，则分辨率会提高一倍)的时间座标相映射，具备了全量位置编码基准功能。
此时，基频(超声传感器的工作频率)的第一路进入分频系数为M的第二分频器即粗位码编码器3，其分频系数M的数值取决于设计量程的大小。最大量程为L0，则：
L0＝λ×2m (12)
若是反射式，则：
ε＝λ/2n+1 (13)
L0＝λ×2m-1 (14)
3)从1)相位编码器2(第一分频器)进行2n分频后得到该超声传感器的工作频率F0(基频)，同时(第二路)进入发射器驱动电路4，进行(4-1～4-4)四个步骤的处理。
发射器驱动电路4包括以下四个分电路：由R、C组成的π型输入电路4-1进行初步滤波，然后进入选频放大器4-2进行进一步滤波和放大，电流放大器4-3(跟随器)的功能是电流放大，在发射器驱动电路4中设置有升压放大器4-4，放大后的电流送入升压放大器4-4升压，再送到超声发射器5发射，发射器就是换能器，将电压变成机械波-纵波发射到气体或液体介质声道中，形成连续的声场。采用升压放大器4-4的目的是因为本技术方案采用低直流稳压电源供电，因为作为便携式仪表易用干电池作备用电源，但为提高信噪比，加大发射信号的电压和功率是关键措施之一。在发射器驱动电路4中的选频放大器4-2采用双T低噪声运算放大器。
4)测量接收器6也是一个换能器，它将接收到的声强信号逆变换成微小的电压量。在测量声道中，从启动时刻开始，收到第一个超声回波后，该信号随即进入接收传感器的模拟及数字混合电路即测量接收器信号处理电路7中。该电路由前置放大器7-1、精密限幅放大器7-2、鉴相脉冲形成电路7-3及固定延迟器7-4组成。其中前置放大器7-1也是中心频率为超声波传感器工作频率的选频放大器，由RC双T及低噪声运算放大器组成，双T的Q值要恰当，过高会引起自激振荡，反而不稳定，过低则滤波性能较差。为补偿介质的损耗随距离的增大而增加，还应具有AGC增益自动控制功能，可得到全量程范围内的稳定的信号幅值，以进一步提高全量程范围内的鉴相精度。精密限幅放大器7-2进一步放大接收器信号，其放大倍数是根据噪声门限计算好的，且应保持工作期间的稳定性，以保证分辨率和重复度的需求。鉴相脉冲器7-3是形成精密鉴相脉冲的电路，其作用是对接收到的声压信号进行RC微分处理，从限幅相位波中检出鉴相脉冲，与主振脉冲构成鉴相与门。鉴相脉冲的作用是从粗位编码器2及相位编码器3中瞬时取出全量绝对位置编码值。为了提高信噪比、得到稳定的波数粗码和相位精码，即全量的绝对/准绝对位置编码，我们根据测量声道的实情，延迟固定个(如W个)鉴相脉冲，固定延迟器7-4设置在测量接收器信号处理电路7的信号入口湍。该固定延迟器7-4是用IC集成块构成。对于工作频率为40kHz的超声传感器来说，固定的延迟时间为Tγ：
Tγ＝25μs×W (15)
第一个回波的低信噪比延迟到第W个基频周期，此时测量声道已建立起了稳定的超声场，对于40kHz超声传感器而言，延迟16个波即达到了超声传感器谐振状态，接收器6得到的声场信号与单个脉冲相比已具有良好的信噪比。用此时的鉴相脉冲触发相位编码器2(第一分频器)和粗位编码器3(第二分频器)就能得到良好、稳定、准确的全量绝对/准绝对位置编码值(零位位置编码)。
测量接收器信号处理电路7和校正接收器信号处理电路14中的前置放大器7-1、14-1均是双T低噪声运算放大器。
具有良好的抗干扰能力及优质的信噪比。
5)全量位置编码器8是由二部分电路组成：相位锁存器8-1，可以是基本型的8位，也可以是高分辨率的10位码。粗位可逆计数器8-2，基本型为8位，扩展型为12位。可见测量接收器信号处理电路7最终输出的鉴相脉冲对相位编码器2和粗位编码器3的作用，可实时获得启动时刻的零位绝对位置编码，以及跟踪状态下的每周期的相位码在8-1中暂存。
6)启动时刻得到鉴相脉冲后，必须立即完成二件即时性工作：第一是作用于粗位码寄存器8-2中可逆计数器的置数端从而得到粗位编码器3(第二分频器)的零位波数码，随后须立即用高电平封死，以便转入高速跟踪状态。只有这样，才能得到每隔25μs(对40kHz超声传感器而言)左右一帧的位置编码值(16位～22位二进制并行码)。此功能由零位置数控制电路10完成。零位置数控制电路10实际上是一个RS触发器，一端由人为的或微处理发出的零位置数信号所控制，另一端由置数脉冲稍作延迟后自锁。除非人为或程序中安排重新启动取零位值，或进行粗码准确性校验再开启。
7)在进行步骤6)的第一件工作的同时，第二件工作是将所取得的相位码在粗码增量脉冲形成电路9内进行逻辑运算。该电路实际是一个由高速逻辑电路和二个RC微分或积分电路组成，其中一个在一定的条件下会产生加脉冲，另一个在另一种条件下会产生减脉冲。其工作原理十分简单，我们知道，只有接收器6相对发射器5产生相对运动时，才有可能发生粗码加1或减1的波数操作。它的逻辑运算规则是：当每隔25μs(对40kHz超声传感器而言)左右都会得到一帧(8位或10位)相位码，如果现在一帧相位码与上一帧相比，从第一象限移动到另一个波长位置的第四象限，则说明粗码应减1，意味着接收器所在位置从一个波长退还到上一个波长范围之内；若是从第四象限进到第一象限，则粗码应加1，说明是接收器所在位置从这个波长范围前进到前一个波长范围；其余状态则粗码不加不减，意味着接收器所在位置在同一个波长范围内移动或处于相对静止状态。这种粗位增量码的产生，若是对射式可以适应以下最高运动速度V0：
V0＝(1/4)λ×40kHz (16)
若以空气为介质，40kHz的超声传感器理论上可适应80m/s的最高运动速度。
对于反射式：
V0＝(1/4)λ×40kHz/2 (17)
仍以空气介质为例，对于反射式40kHz的超声传感器理论上可适应40m/s的最高运动速度。
其实单纯从逻辑电路上处理，我们可以扩展到(3×λ/8)×F0或(7×λ/16)×F0的运动速度，不过此时可测量的最高速度已不受该因素的制约，而是受到波声传感器工作频带的制约，例如对于R/T-40这种超声传感器来说，它的-3dB频带Δf＝±1kHz，则：
V0＝λ×Δf (18)
对于反射式而言：
V0＝λ×Δf/2 (19)
则可测的最高运动速度在对射方式时为V0＝8.5m/s，在反射方式时为V0＝4.25m/s左右。可以从计算获得，此时反射方式工作时动态分辨率仍可保持为0.1mm左右，这种动态响应是一般位移传感器难以达到的。
在精密的动态测控系统中，最苛刻的要求是保证最高分辨率的情况下，所能达到的最高运动速度V*，对精密型波长的细分数为1024而言，所能达到的最高运动速度V*：
V*＝(λ/210)×F0 (20)
由式(20)计算可得V*为160mm/s。这个指标也是一般位移传感器难以达到的，而在这种工作原理下是可以轻而易举达到的。
8)本技术方案操作到这里，已经得到了接收器6在连续声场中的全量位置绝对编码值，它是16～22位二进制并行码，刷新速率为40kHz左右。为了保证本发明方案的设计精度，尚需进行综合校正，排除环境因素的影响。具体的方法和操作是：在所设置的校正通道(第二测量通道)内，安排了另一个校正发射器12，用同一电路即发射器驱动电路4驱动，在其对应位置处设置一个与其相对位置固定且已知物理距离的校正接收器13。接收器13有着与测量接收器6同样的模拟和数字混合电路，即校正接收器信号处理电路14，其处理功能与测量接收器信号处理电路7完全相同。所得到的校正鉴相脉冲同样作用于全量位置基准系统中的相位编码器2，而得到该定长(距离)的相位码，锁存在校正相位寄存器11中。因为环境因素造成的误差是有范围的，一般来说，对于1m以内的定长A，一般不会超过±1/2个波长即±4.25mm。所以该校正通道的粗码的产生和实时输入CPU15是不必要的。我们只要将这8～10位校正相位码与第一通道的测量编码同时送给CPU微处理器15即可。
9)并行接口与CPU微处理器15按程序接收到第一通道的测量结果即全量位置绝对编码值C、D和校正用的定长A的相位码B后按如下算法解算：
第一步：CPU微处理器15根据运动的速度和用户要求选取平差周期T(采样时根据运动速度自动剔除不合格数据)，其中A为定长，单位为mm，B为8位或10位二进制相位码(根据型号而定)，L为被测对象的位置编码值，L＝C+D(注意小数点要对准)其中：C为被测对象的8位或12位测量粗码(波数值)，D为8位或10位被测对象的相位码值。
[L]＝∑(Ci+Di)/N+W(F) (21)
式(21)中，[L]为T周期内N次平均值，+W(F)表示补偿零点可逆计数器在启动时刻粗码置数时固定延迟了W个周期，在误差修正并解算时将其补上。W(F)表示是以十六进制数系示的W值。
实时标准长度的绝对编码值应为
[A]＝A0+∑Bi/N (22)
式(22)中，A为十进制数定长，单位为毫米，A0为该定长A的二进制粗位码值，在通常环境下是不会变化的，Bi为实测的标准定长在此环境下的相位码(可正可负)，即一个波长中的尾数，它会随实测环境的变化而有所变动。[A]即为在此环境中的定长A以二进制数表达的编码值。它含有环境因素的影响程度。
第二步：解算，算法为：
L＝{[L]/[A]}×A (23)
式(23)表示所测到的[L]数据编码与标准定长A在实时环境中的测量值相除，就可以消除环境变动误差，成为一个相对测量的比例值，此时再乘上标准长度，就可求出真实的测量值了。当然为了获得最佳修正效果，应该将测量声道和校正声道同时进行某种有效的屏蔽或消声处理，防止偶然因素的干扰，上述校正效果已在试验装置上得到了验证。
10)CPU微处理器及并行接口15并行传输这些位置编码到CPU，处理解算后的最终结果送入LCD或LED显示器及通过RS422或RS232接口输出到上位机，供系统使用。(可组成多点同步测量系统)。
本技术方案在实际应用中：
①可以根据用户不同的要求局部采用本技术方案中不同的技术措施。例如，在机加工中，各类需要高速控制的机床就可简略步骤6)中启动时刻可逆计数器置数(零位粗码值)操作。而改用在机床上设置特定点人工置数的方法来达到，因为8.5mm的波长区间进行人为置数是非常容易实现的。又如，在各种油缸行程测量的过程中，并不需要零点几或零点零几毫米的测量精度，而仅需要较高的动态响应，此种应用可以省略第二个校正通道采取简化的温度和气压修正法即可。
②在本发明的基础上，我们还可以引伸到用频差法从二组相位码计算出粗位编码来。在动态要求不太高的场合下，我们可以先用超声传感器的第一频率工作，在一个大的测量周期内得到一组相位码B1，然后利用模拟电子开关关闭第一频率，接入第二频率，第一频率和第二频都在超声传感器工作频率范围之内，但是存在一个固定且非常稳定的频差，除增加一个电子开关外可共用测量通道的硬件。
Δf＝F1-F2 (24)
如果在此期间被测对象没有发生运动，但是此时得到的第二频率的相位码已经不是原来的编码值B1，而是另一个相位编码B2，它们之差主要是被测对象所在的位置以及环境测量误差造成的。如果环境测量误差可以忽略或及时进行修正的话，那么：
ΔB＝B1-B2 (25)
在这里，ΔB的产生，完全因为是被测对象所在的位置造成的，据此我们可以解算出被测对象所在位置的粗位编码值。将该粗位编码与第一频率的相位码(精码)粗精组合，也能得到全量位置绝对编码。
如果要求很高的动态响应，则可在第二通道内进行，完全可以达到第一频率一样高的鉴相速率，将B1、B2解算并与B1组合，可以得到答案相同的绝对位置编码值，这样避开了第一频率在跟踪状态必须得到粗位计数脉冲和在启动时必须得到此时零点粗位编码的操作。
设此时的位置编码值为Li，在F1和F2的工作频率下：
Li＝λ1[M1+N1] (26)
Li＝λ2[M2+N2] (27)
式(26)中，λ1为第一频率的波长值，M1为λ1的波长整数值，N1为λ1的波长小数值；式(27)中的标识符定义类推。如果在短暂测量瞬间，距离无变化，则Li不变。因为λ1、λ2已知，N1、N2可以测出，则M1、M2之间的函数关系可以通过式(26)、(27)解算出来。如果量程设在二个波长的公倍数之内，则M1、M2不必测量就可以解算出来，如果量程较大，超出公倍数之外，则为多值函数，可用其他辅助方法将其判别出来。
此种工作原理和检测方法称为频差法绝对位置编码。
例如，设：超声波传感器的第一频率F1＝40kHz；第二频率F2＝40.256kHz。则根据公式(22)有
Δf＝F1-F2＝-256Hz
根据公式(25)
ΔB＝B1-B2可以很简要地证明，ΔB经CPU处理后与被测对象的粗位编码值相关。
因此，在此特殊情况下，被测对象的全量位置绝对编码值
L＝(B1-B2)×28+B2 (26)
公式(26)意味着在如果在测量过程中，反射物的等效波阵面不连续即急剧变化，进不了“跟踪状态”时而又需要高速测量时，可用此解决方案。所付出的代价是增加第二测量通道，但可以只采集这二个通道的相位编码，由CPU解算出被测对象的粗位码，此外需要二个稳定的在超声传感器工作频率范围内且有一定频差的晶体振荡器。
③经理论和试验证明，动态行程检测可以利用稳定的液体介质，能在测量过程中得到稳定的动态测量值。只要合理标定后，误差易修正和控制，还可简化测量通道，适应于使用在较恶劣环境。不足的是相应的分辨率较低(如水中要比在空气中低4倍左右)，当然这可以用更高频率的电路弥补，所以更高速的IC电路在这种场合下使用是有用的。
本发明测量方案及装置在测量原理上相对传统的回波法作了根本性的变动，为提高其精度、重复度、分辨率、测量量程等主要技术指奠定了基础。但是要在工程实施过程中达到预定的效果，还必须应用相关领域和专业的工艺、技巧和选择合适、可靠的元器件以及质量管理体系。影响使用最终测量精度的因素很多：如晶体振荡器的标定值与超声传感器工作频率的匹配性，石英晶体的稳定度，测量声道与补偿声道的屏蔽性，传感器布局的合理性，标定操作的慎密性，所选电子元器件的高速性能指标、随温度和电压变化的稳定性，特别是R、C的选取是非常有讲究的。在系统设计方面还要考虑到放大系数的分配、信噪比的分配、逻辑运算时码制的选择，采样时间的选择，串并口的合理使用以及组成测量系统时软件的配置等等。但这些都是属于常规技术和技巧，已不属于本发明论述的范围了。但是，在实施中往往是“细节决定成败”，不可以掉以轻心。
总之，本发明的实施可在原技术的基础上将产品的动态特性、分辨率、重复度、准确度等主要技术指标提高1～2个数量级，在某种程度上成本反而有所降低(如可大量应用较低价格的如40kHz频率的超声传感器和中、大规模的数字集成模块)。所以大大开拓了超声测量的应用市场：
1)可应用于旋转机械轴系的故障诊断、机械振动中频率和振幅的实时测量；各种量程的行程动态测量(如机床、油缸、闸门)；
2)大量的液位、水深、物料检测和人员不宜接触的非接触位置/位移检测；防爆环境下中、小量程燃料液面的监控；
3)可检测煤矿、地下矿井等危险场所气体的不良成份；潜艇等密闭空间环境监测；各种燃油及需要准确鉴定液体密度的测量；
4)构成连通管系统后可长期预测、预报山体滑坡、自动录制大型建筑的地质沉降、倾斜等健康监测数据；
5)大量的工业、商业自动化中位置、长度、位移等实时检测；
6)用于军用、民用接近传感系统；汽车自动驾驶仪、移动机器人感知系统及环境探测；安防工程等等。
Claims (9)
1.一种基于超声波或声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)由发射器在气体或液体介质内发射连续的超声波，在其声场测量范围内设置对射/反射接收器(包括反射物体)接收连续超声波即启动时刻首个回波以后的声场(以下略称连续声场)；
2)采用分频器将所接收的连续超声波的每一波长按相位等分成至少是百位数的份数，并将接收器所在位置的低位码(精码)即相位码以相应的二进制编码值表示；
3)将接收器(被测对象)所在位置接收到连续超声波在基频(超声波工作频率)鉴相时刻(规定信号从负向正穿越时间轴(反之亦可)的瞬间)不足一个整波长的波形信号以相位等分的份数作为波数的小数(相位码)表示，其波数(粗码)的增量由相位码进位或退位得到，则被测对象的全量位置绝对编码即为相位码+粗位增量码+启动时刻获取的粗码(波数)；
4)以粗码加上相位码即形成全量位置绝对编码值，再乘以发射器波长(修正环境参量后)的方式，得到发射器(5)至接收器(6)(被测对象)之间的位移/距离数值，或者；
5)先按步骤1)——步骤3)中的方法测量一标准量具长度的全量位置绝对编码值，将所测得的长度编码值(在这里是随环境因素变化着的)作为基准(分母)，再测量被测对象的全量位置绝对编码值(在同一测量环境中)并以此作为分子，将分子与分母相除所得到的比值再与标准量具长度的数值相乘，即为发射器至接收器(被测对象)之间的位移/距离数值。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波或声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量方法，其特征在于：步骤2)中采用N+M级计数器(2)将接收到连续超声波或单个回波的每一波长按相位等分成256～1024份，并以多位的二进制整数和小数位表示全量位置绝对编码。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波或声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量方法，其特征在于：步骤3)中先由发射器(5)发射连续超声波作为启动，由接收器(6)(被测对象)得到一个从启动时刻到收到第一回波，并延迟了固定周期后产生一个信噪比得到改善了的鉴相脉冲，获得的全量位置绝对编码值来作为该次测量的零点，并以此计算发射器(5)至接收器(6)(被测对象)之间的绝对距离值(需补偿相应的延迟时间值)。
4.据权利要求1所述的一种基于超声波或声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量方法，其特征在于：步骤3)中发射器(5)先用第一频率工作，接收器(6)在一个周期内得到一组相位码B1，然后关闭第一频率，发射器(5)用第二频率工作，接收器(6)在一个周期内得到另一组相位码B2，相位码B1与相位码B2的差值即为发射器(5)至接收器(6)(被测对象)之间的粗码函数，该粗码函数值组合第一频率的相位码，即为接收器(被测对象)的全量位置绝对编码，第一频率和第二频率都在发射器主振工作频率范围之内，但是存在一个固定的稳定的频差。
5.一种基于超声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量装置，包括主振荡器、发射器及发射器驱动电路、接收器及接收信号处理电路、相应的逻辑数字电路、并行码及串行码接口电路、微处理器及显示器等部件，其特征在于：主振荡器(1)与二进制的N+M级计数器(2、3)连接，构成全量位置编码基准系统，该系统产生的基频信号进入发射器驱动电路(4)，经初步滤波(4-1)、选频放大(4-2)和电流放大(4-3)后由测量发射器(5)发射，该系统测量通道中的接收器(6)接收到的模拟信号进入测量接收器信号处理电路(7)，经前置放大器(7-1)，限幅放大器(7-2)及鉴相脉冲形成电路(7-3)处理后进入全量位置编码器(8)进行采样，获得接收器(6)(被测对象)在连续声场中全量位置绝对编码值，再经接口部件及微处理器(15)运算处理后得到接收器(6)(被测对象)相对发射器位移/距离数值，其测量结果送入显示器(16)显示或送上位机。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量装置，其特征在于：发射器驱动电路(4)上并联有由校正发射器(12)和校正接收器(13)组成的校正通道，其校正接收器(13)接收的信号进入校正接收器信号处理电路(14)，经前置放大器(14-1)、限幅放大器(14-2)及鉴相脉冲形成电路(14-3)处理后，所得到的校正鉴相脉冲作用于校正相位寄存器(11)，通过校正相位寄存器(11)从相位编码器(2)中采集到校正相位码，而得到该定长(距离)实时的相位码，锁存在校正相位寄存器(11)中，然后将校正通道内的相位编码与测量通道的相位编码通过接口同时送给CPU(15)进行运算。
7.根据权利要求5所述的一种基于超声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量装置，其特征在于：在全量位置编码器(8)上还接入有零位置数控制电路(10)和粗码增量脉冲形成电路(9)，当接收器(6)的信号进入全量位置编码器(8)时，其粗位码寄存器(8-2)中可逆计数器的置数端得到粗位编码器(3)(第二分频器)的零位波数码后立即用高电平封死，并将所取得的相位码在粗码增量脉冲形成电路(9)内进行逻辑及微分或积分运算，以及时获得该瞬间(鉴相时刻)粗位码的增量计数脉冲。
8.根据权利要求5所述的一种基于超声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量装置，其特征在于：在测量接收器信号处理电路(7)和校正接收器信号处理电路(14)的信号入口端分别设置有固定延迟器(7-4、14-4)。
9.根据权利要求5或6所述的一种基于超声波连续声场鉴相原理的位移/距离测量装置，其特征在于：在发射器驱动电路(4)中电流放大器(4-3)的前端设置有升压放大器(4-4)并且选频放大器(4-2)采用双T低噪声运算放大器，测量接收器信号处理电路(7)和校正接收器信号处理电路(14)中的前置放大器(7-1、14-1)采用双T低噪声运算放大器。
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