DE3406180C2 - Device for measuring the position of at least one measuring point with the aid of ultrasound - Google Patents

Device for measuring the position of at least one measuring point with the aid of ultrasound

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DE3406180C2 DE19843406180 DE3406180A DE3406180C2 DE 3406180 C2 DE3406180 C2 DE 3406180C2 DE 19843406180 DE19843406180 DE 19843406180 DE 3406180 A DE3406180 A DE 3406180A DE 3406180 C2 DE3406180 C2 DE 3406180C2
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Description

3 43 4

res möglich, den Ort des Meßpunktes innerhalb einer zugsweise zwischen 1 und 100 Hz, eingestellt, z. B. aufres possible to set the location of the measuring point within a preferably between 1 and 100 Hz, z. B. on

Kugel mit einem Durchmesser kleiner als 1 mm zu be- eine Frequenz von etwa 25 Hz. Bei dieser EinstellungSpheres with a diameter of less than 1 mm have a frequency of around 25 Hz. With this setting

stimmen. Diese Messungen werden kurz nacheinander gibt der Zeitgeber 3, der ein frei schwingender Oszilla-voices. These measurements are made in quick succession by the timer 3, which is a freely oscillating oscillator

wiederholt, wobei die Wiederholungsfrequenz durch die tor ist, alle 40 Millisekunden einen Startimpuls an einenrepeated, the repetition frequency being through the gate, a start pulse to one every 40 milliseconds

Frequenz des Zeitgebers bestimmt i$t Dies ist daher 5 Sendeverstärker 4 ab, worauf der Sender 1 dann einenFrequency of the timer determines i $ t This is therefore 5 transmission amplifier 4, whereupon the transmitter 1 then one

vorzugsweise einstellbar, beispielsweise zwischen Wer- Ultraschall-Stoßimpuls abgibtpreferably adjustable, for example between who emits ultrasonic shock pulse

ten von 1 und 100 Hz. Je nach der jeweils verwendeten Gleichzeitig wird ein Zähler 5 auf Null gesetzt Hier-Meßanordnung, wobei insbesondere die Zahl de. je- für wird beispielsweise ein fünfstelliger Zähler verwenweils verbildeten Sender und Empfänger eine Rolle det Der Zähler 5 beginnt jetzt die Zählimpulse eines spielt sowie das zur Auswertung der Signale eingesetzte io HF-Oszillators 6 zu zählen, der ein Quarzoszillator ist Software-Programm und natürlich auch die Schnellig- und mit einer Frequenz von 3,438 MHz schwingt
keit des verwendeten Rechners, wird man die Frequenz Sobald ein Empfängerverstärker 9 über den Empfändes Zeitgebers auf einen passenden Wert einstellen, der ger 2 den Stoßimpuls empfängt sendet dieser ein Übernatürlich eine den jeweiligen Umständen angepaßte gu- nahmesignal an einen als Zwischenspeicher 7 arbeitente zeitliche Auflösung ergeben sollte. Versuche haben 15 den Speicher (Latch-Zwischenspeicher), der daraufhin gezeigt daß bei Frequenzen um 40 Hz bei einer nicht zu den gegenwärtigen Zählerstand des Zählers 5 übergroßen Anzahl von Sendern und Empfängern gute nimmt und bis zum entsprechenden Impuls bei der näch-Meßergebnisse erzielbar sind. sten Einzelmessung speichert. Der Inhalt des Speichers Die Schwingungsfrequenz des HF-Oszillators stellt 7, d. h. der Zählerstand, wird an eine-Anzeige 10 weiterman vorteilhaft so ein, daß die in der Anzeige erschei- 20 geleitet und dort sichtbar gemacht und/oder gespeinende Zahl, die, wie erläutert, proportional zur Laufzeit chert Die Anzeige ist beispielsweise eine Schirmbildan-1 des Stoßimpulses ist und damit auch proportional zur zeige, ein Schreiber, ein Drucker oder auch eine direkte Entfernung zwischen Sender und Empfänger, direkt ei- Digitalanzeige des betreffenden Meßwertes. Auch könne Anzeige für die jeweils gemessene Entfernung in nen aus den gemessenen Koordinaten des Senders 1 dem betreffenden Maßsystem, im allgemeinen im metri- 25 dessen Bewegungen abgeleitet werden, weil die Messchen System, gibt Nachdem die Schallgeschwindigkeit sungen, wie erwähnt, kurz nacheinander durchgeführt in Luft bei einer Temperatur von 200C bekanntlich werden. Aus diesen Meßdaten können auch alle ande-343,8 m/Sek. beträgt, bringt es daher für den Schal- ren, jeweils interessierenden Daten abgeleitet werden, tungsaufwand und die Anzeige Vorteile, wenn man die beispielsweise die Beschleunigung und, bei Vorhanden-Frequenz des HF-Oszillators auf einen Zahlenwert ein- 30 sein von wenigstens drei Meßpunkten, der Winkel zwistellt, der diesem Zahlenwert entspricht, multipliziert sehen den drei Meßpunkten, die Winkelgeschwindigmit 10", wobei π eine Zahl - 1,2,3... ist Vorzugsweise keit die Winkelbeschleunigung, Symmetrieabweichunist η -= 4, wobei dann die auf der Anzeige erscheinenden gen und weitere, interessierende Daten.
Zahlen die jeweils gemessene Entfernung direkt in ein Die Zählimpulse werden vom Zähler 5 dem Speicher Zehntel Millimeter wiedergeben. Dieselben Überlegun- 35 7 über eine Leitung 8 zugeleitet
gen gelten natürlich auch für Anzeigen in anderen Maß- Versuche haben ergeben, daß das zeitliche Auflösystemen, beispielsweise im Zoll-System. sungsvermögen der beschriebenen Vorrichtung bei der Nachdem die Schallgeschwindigkeit in Luft tempera- Verwendung von sechs Ultraschallsendern etwa gleich turabhängig ist, kann auch die Frequenz des HF-Oszilla- V30 Sek. ist Dieser Wert wird bei Verwendung von wetors einstellbar sein, um zur Erzielung einer noch ver- 40 niger Sendern noch verbessert Verglichen mit anderen, besserten Meßgenauigkeit auch Temperaturschwan- bisher bekannten Meßsystemen, die vorzugsweise opkungen oder Abweichungen von der erwähnten Zim- tisch über Filmaufnahmen arbeiten, zeichnet sich die mertemperatur von 200C zu berücksichtigen. erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine etwa drei-Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus- ßigfach bis einhundertfach verbesserte Ortsauflösung führungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt sehe- 45 aus. Je nach der verwendeten Anzahl der Sender und matisch das Prinzip einer eindimensionalen Meßstrecke Empfänger und auch der Rechnergeschwindigkeit eranhand eines Blockschaltbildes. gibt sich eine Meß- und Analysenzeit von wenigen Mi-Bezüglich des grundsätzlichen Aufbaus der beschrie- nuten bis herab zu etwa Άοο Sek. Eine solch kurze Zeitbenen Vorrichtung sei auf den eingangs erwähnten Auf- spanne zwischen dem Ereignis (Bewegung) und dessen satz von Schumpe u. a. verwiesen. Die Figur zeigt das 50 Darstellung erschließt neue Anwendungsgebiete, beiBlockschaltbild einer solchen Meßstrecke zwischen ei- spielsweise für die medizinische Rehabilitation und für nem einzigen Sender 1 und einem einzigen Empfänger 2, den Sportunterricht, wobei dann die betreifende Person d. h. bei einer eindimensionalen Meßstrecke. Es wird selbst, gegebenenfalls zusammen mit einem Arzt oder bevorzugt, insbesondere zur Vereinfachung der Softwa- Sportlehrer, die betreffenden Bewegungen praktisch re, wenn der Sender am Meßpunkt befestigt wird und 55 momentan sieht und kontrollieren kann.th of 1 and 100 Hz. Depending on the one used at the same time, a counter 5 is set to zero. Here measuring arrangement, in particular the number de. For example, a five-digit counter is used, for example, as a transmitter and receiver. The counter 5 now begins to count the counting impulses of a plays and to count the io RF oscillator 6 used to evaluate the signals, which is a quartz oscillator, a software program and of course also which vibrates rapidly and at a frequency of 3.438 MHz
As soon as a receiver amplifier 9 is set to a suitable value via the receiver timer, the ger 2 receives the shock pulse, this sends a supernatural response signal adapted to the respective circumstances to a temporal resolution working as a buffer memory 7 should. Experiments have 15 the memory (latch buffer), which then showed that at frequencies around 40 Hz with a number of transmitters and receivers not exceeding the current count of the counter 5, good results can be achieved up to the corresponding pulse in the next measurement . saves the first single measurement. The contents of the memory The oscillation frequency of the HF oscillator sets 7, ie the counter reading, is furthermore advantageously set on a display 10 so that the number appears on the display and is made visible there and / or saved number that, as explained, proportional to the running time chert The display is, for example, a screen image- 1 of the shock pulse and thus also proportional to the display, a writer, a printer or a direct distance between transmitter and receiver, directly a digital display of the relevant measured value. The respective measurement system, generally in metrics, can also be used to derive the respective measured distance in the relevant measuring system, because the measuring system gives after the speed of sound sings, as mentioned, carried out in quick succession Air at a temperature of 20 0 C is known to be. All other 343.8 m / sec. it is therefore advantageous for the scarf, data of interest to be derived, maintenance effort and the display if, for example, the acceleration and, if the frequency of the HF oscillator is present, be at a numerical value of at least three measuring points , the angle zwistellt corresponding to this numerical value, multiplied see the three measuring points which Winkelgeschwindigmit 10 ", where π is a number - 1,2,3 ... Preferably ness, the angular acceleration, Symmetrieabweichunist η - = 4, then the on the display appears and other, interesting data.
Count the measured distance directly into the counter. The counting pulses are reproduced by the counter 5 in the memory tenths of a millimeter. The same considerations are fed in via a line 8
This naturally also applies to displays in other dimensions. Tests have shown that the time resolution system, for example in the customs system. After the speed of sound in air is temperature-dependent using six ultrasonic transmitters, the frequency of the HF oscillator can also be 30 sec. This value will be adjustable when using wetors in order to achieve a yet published 40 niger stations improved compared with others, improved accuracy in temperature also previously known measurement systems, preferably opkungen or deviations from the mentioned ZIM work table on filming, the mertemperatur of 20 0 C features to consider. The device according to the invention is explained in more detail below with the aid of an example of a spatial resolution which is improved from one to one hundred times. The figure shows it looks like. Depending on the number of transmitters used and the principle of a one-dimensional measuring section, the receiver and the computer speed are based on a block diagram. There is a measurement and analysis time of a few Mi. Regarding the basic structure of the described ones down to about Άοο sec. Such a short time level device is based on the initially mentioned span between the event (movement) and its sentence by Schumpe referenced inter alia. The figure shows that the representation opens up new areas of application, in the case of a block diagram of such a measuring section between, for example, medical rehabilitation and for a single transmitter 1 and a single receiver 2, physical education, with the person concerned, that is, for a one-dimensional measuring section. It is even, if necessary together with a doctor or preferred, in particular to simplify the software sports teacher, the relevant movements practically re when the transmitter is attached to the measuring point and can see and control 55 instantaneously.

daher beweglich ist und die Empfänger — wenigstens therefore is mobile and the recipient - at least

drei Empfänger sind vorgesehen — raumfest sind. Es ist Hierzu 1 Blatt Zeichnungenthree receivers are provided - are fixed in space. There is 1 sheet of drawings

aber grundsätzlich auch die umgekehrte Anordnung but basically also the reverse arrangement

möglich, d. h. mit raumfesten Sendern und an den Meßpunkten angebrachten Empfängern, wenngleich dies ei- 60
nen größeren Aufwand bei der Software mit sich b-;ngt.
Das im folgenden beschriebene Prinzip der eindimensionalen Meßstrecke bleibt bei allen diesen Meßstrekken zwischen jedem Sender und jedem Empfänger beibehalten. Die EDV-Anlage kann über ihre Software die 65
Empfangsimpulse jedem Empfänger und jedem Sender
zuordnen.
Ein Zeitgeber 3 ist auf eine bestimmte Frequenz, vor-possible, ie with transmitters fixed in space and receivers attached to the measuring points, although this is not possible
The software entails a greater effort.
The principle of the one-dimensional measuring section described below is retained in all of these measuring sections between each transmitter and each receiver. The IT system can use its software to manage the 65
Received impulses from every receiver and every transmitter
assign.
A timer 3 is on a certain frequency, pre-

Claims (6)

1 2 eine hohe Energie aus, sie beinhalten jedoch stets meh- Patentansprüche: rere Wellenzüge. Dadurch leidet aber die Meßgenauigkeit, weil gegebenenfalls auch die Schwingungen nach1 2 have a high level of energy, but they always contain a number of claims: rere wave trains. As a result, however, the measurement accuracy suffers because the vibrations may also decrease 1. Vorrichtung zum Messen der Lage wenigstens dem ersten, ansteigenden Impuls von den Ultraschalleines Meßpunktes mit einem an dem Meßpunkt be- 5 empfängern gemessen werden können. Dies führt entfestigten Ultraschallsender bzw. -empfänger und mit weder zu Fehlmessungen oder es muß durch eine geeigwenistens drei raumfest angeordneten Ultraschall- nete Programmierung der EDV-Anlage dafür gesorgt empfängern bzw. -sendern, wobei die Ultraschall- werden, daß diese Wellenzüge, die ja eine geringere sender Ultraschallsignale abstrahlen, die nach einer Amplitude haben, bei der Auswertung der Messung gewissen Laufzeit von den Ultraschallempfängern ίο nicht berücksichtigt werden. Dies kann gegebenenfalls empfangen werden, ferner mit einer EDV-Anlage, zu erhöhten Rechnerzeiten führen und damit wiederum die aus den ihr eingegebenen Koordinaten der zu einer gewissen Verzögerung bei der Darstellung der raumfesten Ultraschallempfänger bzw. -sender und gemessenenen Werte, was bei einigen Anwendungsfälaus den jeweiligen Laufzeiten die momentane Lage len stört1. Device for measuring the position of at least the first, rising pulse from the ultrasonic line Measuring point can be measured with a receiver at the measuring point. This leads to softened Ultrasonic transmitter or receiver and with neither to incorrect measurements or it must by a suitable three space-fixedly arranged ultrasound nete programming of the EDP system ensured receivers or transmitters, whereby the ultrasound are that these wave trains, which are a lesser one Transmitter emit ultrasonic signals that have an amplitude when evaluating the measurement certain transit times are not taken into account by the ultrasonic receivers ίο. This can be done if necessary are received, furthermore with a computer system, lead to increased computer times and thus in turn the coordinates from the entered it cause a certain delay in the display of the Fixed ultrasound receiver or transmitter and measured values, which is the case with some applications the current situation len disturbs the respective runtimes des betreffenden Meßpunktes im Raum bestimmt, 15 Die DE-OS 24 22 ö37 beschreibt eine Vorrichtung diese speichert und die Messung nacheinander wie- zum Messen der Lage wenigstens eines Meßpunktes mit derholt und daraus eine zwischenzeitlich erfolgte einem an dem Meßpunkt befestigten Ultraschallsender Ortsveränderung des Meßpunktes mißt, und mit ei- oder -empfänger und mit wenigstens drei raumfest anner Anzeige und mit einem Speicher für die Meß- geordneten Ultraschallempfängern bzw. -sendern, wowerte, wobei der Ultraschallsender über einen Sen- 20 bei die Empfangssignale einer Datenverarbeitungsanladerverstärker mit einem Stoßimpuls beaufschlagt ge zugeleitet werden, die die Koordinaten des Meßwird und dem Ultraschallempfänger ein Empfänger- punktes anzeigt Gegebenenfalls ist dieser Anzeige eine verstärker nachgeschaltet ist, dadurch ge- weitere Anzeige nachgeschaltet, die die Meßdaten eines kennzeichnet, daß eine Schaltungsanordnung Modells in Meßdaten tatsächlicher Größe umwandelt vorgesehen ist, die einen Zeitgeber (3) aufweist, der 25 Auch dieser Druckschrift kann der Aufbau dieser Schalgleichzeitig mit dem Stoßimpuls einen Startimpuls tungsanordnung nicht entnommen werden,
an einen Zähler (5) abgibt, der von einem HF-Oszil- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine lator (6) mit Zählimpulsen beaufschlagt ist, daß der Schaltungsanordnung vorzuschlagen, mii der die Vor-Ausgang des Zählers (5) mit einem empfängerseiti- richtung der eingangs genannten Art zufriedenstellend gen Speicher (7) für die Zählimpulse verbunden ist, 30 arbeitet derart, daß die Meßwerte mit großer Genauigdessen Eingang auch an den Ultraschallempfänger keit und Schnelligkeit zur Verfügung stehen und ange-(2) angeschlossen ist und an dessen Ausgang die An- zeigt werden können,
zeige (10) angeschlossen ist Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kenn-15 DE-OS 24 22 Ö37 describes a device that stores this and repeats the measurement one after the other to measure the position of at least one measuring point, and from this an ultrasonic transmitter attached to the measuring point measures the change in location of the measuring point , and with one or -receiver and with at least three spatially fixed anner displays and with a memory for the measurement-ordered ultrasonic receivers or transmitters, values, the ultrasonic transmitter receiving a shock pulse from a transmitter via a transmitter which is the coordinates of the measurement and indicates a receiver point to the ultrasound receiver. If necessary, this display is followed by an amplifier, which means that further display is connected which characterizes the measurement data of a model that converts a circuit arrangement into measurement data of actual size is seen, which has a timer (3), the 25 Also from this publication, the structure of this sound at the same time as the shock pulse of a start pulse processing arrangement can not be taken,
to a counter (5) from an HF oscil- The invention is therefore based on the object of a lator (6) is supplied with counting pulses that propose the circuit arrangement with the pre-output of the counter (5) a receiver side direction of the type mentioned is connected satisfactorily to the memory (7) for the counting pulses, 30 works in such a way that the measured values are also available and connected to the ultrasonic receiver with great accuracy and speed at the output of which the displays can be
show (10) is connected. This task is solved by the characteristic 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnenden Maßnahmen von Patentanspruch 1.
zeichnet, daß die Frequenz des Zeitgebers (3) ein- 35 Sobald der Zeitgeber einen Impuls abgibt, wird der stellbar ist betreffende Ultraschallsender zu einem Stoßimpuls er-2. Device according to claim 1, characterized by the measures of claim 1.
shows that the frequency of the timer (3) is on 35 As soon as the timer emits a pulse, the adjustable ultrasonic transmitter in question becomes a shock pulse. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- regt, der sich durch eine hohe Amplitude und damit zeichnet, daß die Frequenz des Zeitgebers (3) zwi- durch einen hohen Energieinhalt sowie durch eine nur sehen 1 Hz und 100 Hz einstellbar ist. kurzzeitige Erregung mit sofort daran anschließendem3. Device according to claim 2, characterized in that it is characterized by a high amplitude and thus shows that the frequency of the timer (3) between by a high energy content and by only one see 1 Hz and 100 Hz is adjustable. brief excitement followed immediately by it 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—3, 40 Abfall stuf Null auszeichnet Der Stoßimpuls hat vordadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des HF- zugsweise nur eine einzige vordere Anstiegsflanke und Oszillators (6) einstellbar ist. geht dann sofort auf die Intensität Null zurück, oder4. Device according to one of claims 1-3, 40 characterizes drop level zero The shock pulse has predicted characterized in that the frequency of the HF- preferably only a single leading leading edge and Oscillator (6) is adjustable. then immediately goes back to the intensity zero, or 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 —4, doch im wesentlichen auf Null. Fehlmessungen werden dadurch gekennzeichnet, daß der Zahlenwert der dadurch weitestgehend ausgeschlossen. Gleichzeitig mit Frequenz des HF-Oszillators (6) so einstellbar ist 45 der Aussendung des Startimpulses über den Zeitgeber daß er geteilt durch den Zahlenwert der Schallge- wird der Zähler auf Null gesetzt, der jetzt die ihm fortschwindigkeit in Luft bei der Meßtemperatur der laufend zugeführten Schwingungen des HF-Oszillators Luft den Wert 10" hat, mit η = einer ganzen positi- zählt Diese Zahl wird in den empfängerseitigen Speiven Zahl. eher übertragen, sobald dieser den Empfangsimpuls er-5. Device according to one of claims 1-4, but essentially at zero. Incorrect measurements are characterized by the fact that the numerical value of the is largely excluded. At the same time as the frequency of the HF oscillator (6) is adjustable 45 the transmission of the start pulse via the timer that it is divided by the numerical value of the sound Oscillations of the HF oscillator air has the value 10 ", with η = a whole positive count. This number is transmitted in the receiver-side Speiven number. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- 50 hält Die im Speicher befindlichen Zahl ist somit ein zeichnet, daß die Frequenz des HF-Oszillators (6) direktes Maß für das Zeitintervall zwischen dem Ausetwa = 3,438 MHz beträgt. senden des Stoßimpulses und dessen Empfang im Empfänger. Aufgrund der bekannten Fortpflanzungsge-6. Apparatus according to claim 5, characterized in that 50 holds The number in the memory is thus a shows that the frequency of the RF oscillator (6) is a direct measure of the time interval between the off about = 3.438 MHz. sending the shock pulse and receiving it in the receiver. Due to the known reproductive schwindigkeit des Schalls in dem betreffenden Medium,speed of sound in the medium in question, 55 im allgemeinen in Luft kann daraus der Anzeige direkt die Entfernung zwischen Sender und Empfänger ange-55 generally in air, the display can show the distance between transmitter and receiver directly from this. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen zeigt werden.The invention relates to a device for measuring shows. der Lage wenigstens eines Meßpunktes mit den Merk- Es ist auch möglich, die Schaltungsanordnung so zuthe position of at least one measuring point with the notice It is also possible to adjust the circuit arrangement in this way malen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1. treffen, daß der Zähler die ihm vom HF-Oszillator zuge-paint the preamble of claim 1. meet that the counter is assigned to it by the RF oscillator Eine solche Vorrichtung ist beschrieben in der Zeit- 60 leiteten Impulse ständig an den empfängerseitigen Speischrift »Funktionelle Diagnostik in der Orthopädie«, eher weiterleitet, der dann die betreffende Zahl anzeigt, Stuttgart, 1979, Seiten 69 bis 72. Einzelheiten über die sobald er den zugehörigen Empfangsimpuls erhält
dort verwendete Schaltungsanordung, mit der man aus Auf die beschriebene Art und Weise werden alle Imden Laufzeiten der Ultraschallsignale die Entfernungen pulse zwischen einem Sender und wenigstens drei Empmißt sowie über die dort verwendeten Ultraschallsen- 65 fängern verarbeitet, und zwar unter Zuhilfenahme der der sind in diesem Aufsatz nicht angegeben. Außerdem erwähnten EDV-Anlage einschließlich ihres Prowird dort vorgeschlagen, die Ultraschallsender zu Stoß- gramms.
wellen anzuregen. Stoßweilen zeichnen sich zwar durch Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es ohne weite-Such a device is described in the 60 transmitted impulses constantly to the recipient-side specimen "Funktionelle Diagnostik in der Orthopädie", rather forwards, which then displays the relevant number, Stuttgart, 1979, pages 69 to 72. Details about the as soon as he receives the receives associated receive pulse
The circuit arrangement used there, with which one from In the manner described, all Imden transit times of the ultrasonic signals, the distances pulse between a transmitter and at least three Empmisame and processed via the ultrasonic interceptors used there, with the aid of the are in this Article not specified. In addition, the IT system mentioned, including its software, is proposed there to convert the ultrasound transmitter to shock gram.
to stimulate waves. Although shock waves are characterized by the described device, it is
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