JP2006162328A - Ultrasonic range finder and ultrasonic clinometer - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、超音波を用いて測定対象との距離を計測する超音波距離計および測定対象の傾斜を計測する超音波傾斜計に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic distance meter that measures a distance from a measurement object using ultrasonic waves and an ultrasonic inclinometer that measures the inclination of the measurement object.
超音波を用いた距離計および傾斜計はよく知られており、この種の超音波を用いた距離計および傾斜計に関するものとして、路面に対する車両の傾斜角度を測定する傾斜角度測定装置がある（例えば、特許文献１参照）。この測定装置は、路面にむけて超音波を送信する送信用超音波センサと、路面によって反射された超音波を受信する２つの受信用超音波センサと、２つの受信用超音波センサによる受信超音波の相互の位相差に応じて、路面に対する車両の傾斜角度を演算する演算制御回路から構成されている。 Distance meters and inclinometers using ultrasonic waves are well known, and as an example of distance meters and inclinometers using this type of ultrasonic waves, there is an inclination angle measuring device that measures the inclination angle of a vehicle with respect to a road surface ( For example, see Patent Document 1). This measurement apparatus includes a transmission ultrasonic sensor that transmits ultrasonic waves toward a road surface, two reception ultrasonic sensors that receive ultrasonic waves reflected by the road surface, and reception ultrasonic waves by two reception ultrasonic sensors. The calculation control circuit is configured to calculate the inclination angle of the vehicle with respect to the road surface in accordance with the mutual phase difference between the sound waves.
上述したような従来の超音波傾斜計を利用し、測定対象の傾斜あるいは測定対象との距離を計測する場合、超音波センサの指向性が広いために、測定対象での超音波の存在範囲が広がり、測定対象で位相分布を持つことが原因となり、超音波センサと測定対象との距離が小さいときに、計測値の誤差が大きくなるという問題点がある。 When the conventional ultrasonic inclinometer as described above is used to measure the inclination of the measurement object or the distance to the measurement object, the ultrasonic sensor has a wide directivity, so that the ultrasonic existence range in the measurement object is large. Due to the spread and the phase distribution in the measurement target, there is a problem that the error of the measurement value increases when the distance between the ultrasonic sensor and the measurement target is small.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、測定距離にかかわらず、計測値の誤差が小さい超音波距離計および超音波傾斜計を得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain an ultrasonic distance meter and an ultrasonic inclinometer with a small measurement value error regardless of the measurement distance.
この発明に係る超音波距離計は、測定対象に向けて超音波を送信し、測定対象によって反射された超音波を受信する超音波センサと、前記超音波センサで受信したときの位相または遅延時間を検出する位相または遅延時間検出部とを備え、前記位相に応じて前記測定対象との距離を測定する超音波距離計であって、前記測定対象との距離に応じて前記位相または遅延時間に補正を施す補正処理部を備えたことを特徴とする。 An ultrasonic distance meter according to the present invention includes an ultrasonic sensor that transmits an ultrasonic wave toward a measurement target and receives an ultrasonic wave reflected by the measurement target, and a phase or delay time when the ultrasonic sensor receives the ultrasonic wave. A phase or delay time detection unit for detecting a distance to the measurement object according to the phase, the phase or delay time according to the distance to the measurement object A correction processing unit that performs correction is provided.
また、この発明に係る超音波傾斜計は、測定対象に向けて超音波を送信し、測定対象によって反射された超音波を受信する少なくとも２個以上の超音波センサと、これら超音波センサで受信したときの位相または遅延時間をそれぞれ検出する位相または遅延時間検出部と、前記位相または遅延時間の相互の位相差または遅延時間差を検出する位相差または遅延時間差検出部と、測定対象との距離に応じて前記位相差または遅延時間差に補正を施す補正処理部と、前記補正を施した位相差または遅延時間差に応じて測定対象との傾斜角度を検出する傾斜角度検出部とを備えたものである。 The ultrasonic inclinometer according to the present invention includes at least two ultrasonic sensors that transmit ultrasonic waves toward the measurement target and receive the ultrasonic waves reflected by the measurement target, and receive these ultrasonic sensors. The phase or delay time detection unit for detecting the phase or delay time when detected, the phase difference or delay time difference detection unit for detecting the mutual phase difference or delay time difference of the phase or delay time, and the distance to the measurement object Accordingly, a correction processing unit that corrects the phase difference or the delay time difference and a tilt angle detection unit that detects a tilt angle with respect to the measurement object according to the corrected phase difference or delay time difference are provided. .
この発明によれば、測定距離にかかわらず、計測値の誤差が小さい超音波距離計および超音波傾斜計を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain an ultrasonic distance meter and an ultrasonic inclinometer with small measurement value errors regardless of the measurement distance.
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る超音波距離計の構成を示すブロック図である。図１に示す実施の形態１に係る超音波距離計は、測定対象８に向けて超音波７を送信し、測定対象８によって反射された超音波７を受信する超音波センサ１と、特定の駆動信号を生成して超音波センサ１を駆動する送信回路２と、超音波センサ１で受信された超音波から特定の周波数成分を取り出す受信回路３と、受信回路３で取り出された受信波の位相を検出する位相検出部４と、位相検出部４で検出された位相に対し補正処理を施す補正処理部５と、補正処理を施した位相から距離を求める距離検出部６とから構成されている。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic distance meter according to
この実施の形態１に係る超音波距離計は、超音波センサ１から測定対象８へ向け超音波７を送信し、測定対象８によって反射された超音波７を再び超音波センサ１で受信することで、受信時の位相から超音波センサ１と測定対象８との距離を求めるものである。
The ultrasonic distance meter according to the first embodiment transmits
なお、超音波は、人間の耳に聞こえない程度に高い周波数の音波や弾性波を示す言葉として一般的に使用されているが、この発明においては、記載しないかぎり周波数は特に規定しないものとする。すなわち、この発明における「超音波」という文言には、人間の耳で聞こえる周波数の上限よりも高い周波数の音波や弾性波に限らず、この上限よりも低い周波数の音波や弾性波も含めた波という意味を含んでおり、人間の耳で聞こえる周波数の下限よりも低い周波数の音波や弾性波という意味も含むものとする。 In addition, although the ultrasonic wave is generally used as a term indicating a sound wave or an elastic wave having a frequency high enough to be inaudible to the human ear, in the present invention, the frequency is not particularly defined unless otherwise described. . In other words, the term “ultrasonic waves” in the present invention is not limited to sound waves and elastic waves having a frequency higher than the upper limit of the frequency that can be heard by the human ear, but also includes sound waves and elastic waves having a frequency lower than the upper limit. It also includes the meaning of sound waves and elastic waves having a frequency lower than the lower limit of the frequency that can be heard by the human ear.
次に、この実施の形態１に係る超音波距離計の動作について図面を参照しながら説明する。送信回路２は、特定の駆動信号を生成し、上記駆動信号を超音波センサ１へ供給する。超音波センサ１は、送信回路２で生成された駆動信号が与えられることによって、電気信号を振動エネルギーに変換して、所定の周波数の超音波７を測定対象８に向け送信する。超音波７は、超音波センサ１と測定対象８の間の空気中を伝搬し、測定対象８へと到達したときに反射され、超音波センサ１の方向へ伝搬していく。その後、反射された超音波７は超音波センサ１へと到達し、再び超音波センサ１で受信される。受信された超音波７は、電気信号へと変換され、受信回路３にて、送信に用いた所定の周波数成分だけが取り出された後、位相検出部４に伝送される。位相検出部４では超音波７が超音波センサ１で受信された時の位相が求められ、補正処理部５にて、超音波センサ１と測定対象８間の距離に応じた補正が施される。距離検出部６では、補正が施された上記位相と、超音波７の伝搬速度とから、測定対象８までの距離が検出される。
Next, the operation of the ultrasonic distance meter according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. The
図２は、この発明の実施の形態１に係る超音波距離計における超音波の位相から超音波センサ１と測定対象８との距離を求める方法を説明する図である。図２に示すように、超音波センサ１から鉛直方向に送信された超音波７は、測定対象８で反射され、再び超音波センサ１へと到達する。超音波センサ１と測定対象８間の距離をｌ、超音波７の伝搬速度をｖ、周波数をｆとすると、超音波センサ１で送信された超音波７が測定対象８で反射され、再び超音波センサ１で受信されるまでの位相φは、式（１）で表すことができる。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method for obtaining the distance between the
よって、位相φを計測することで、超音波７の周波数ｆと伝搬速度ｖから、超音波センサ１と測定対象８との距離ｌを求めることができる。
Therefore, by measuring the phase φ, the distance l between the
一般に、超音波センサは指向性を持つため、超音波センサから送信された超音波は、方向性のある広がりを持って伝搬する。また、超音波センサの指向性は広いため、測定対象の反射面において、超音波の存在範囲は広くなってしまう。よって、超音波７の位相は、測定対象８の反射面上に分布する。位相が分布することにより、測定対象８の反射面上では、超音波センサ１と測定対象８間の最短距離に相当する位相の逆相成分も多く存在してしまう。この逆相成分も反射され、超音波センサ１で受信されるため、超音波センサ１で受信される超音波の位相は、最短距離に相当する位相と異なってしまう場合がある。
In general, since an ultrasonic sensor has directivity, an ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor propagates with a directional spread. In addition, since the directivity of the ultrasonic sensor is wide, the ultrasonic existence range is widened on the reflection surface to be measured. Therefore, the phase of the
図３は、超音波センサ１から送信された超音波７の伝搬経路を示す模式図である。図３において、超音波センサ１から送信された超音波７は、超音波センサ１の持つ指向角で広がって伝搬していく。よって、測定対象８の中央部と端部とでは、超音波センサ１から送信された超音波７の伝搬経路長が異なる。超音波センサ１の指向角をθ、超音波センサ１から鉛直方向に位置する測定対象８の中央部までの超音波７の伝搬経路長をｈ、超音波センサ１から測定対象８の端部までの超音波７の伝搬経路長をｒとすると、超音波センサ１から測定対象８の端部までの伝搬経路長ｒは式（２）のようになる。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a propagation path of the
したがって、測定対象８の中央部までの伝搬経路長ｈと端部までの伝搬経路長ｒの差Δｒは式（３）となり、測定対象８の端部までの伝搬経路長が測定対象８の中央部までの伝搬経路長より大きなため、測定対象８の端部での位相は、測定対象８の中央部の位相よりも遅れる。上述のように、測定対象８の中央部から端部へ向かうにつれ、超音波センサ１から送信された超音波７の伝搬経路長差が徐々に大きくなる、すなわち、位相が徐々に遅れていく。このため、測定対象８の反射面上において、超音波７の位相は分布することになる。
Therefore, the difference Δr between the propagation path length h to the center of the
測定対象８が同じ大きさであれば、超音波センサ１と測定対象８との間の距離ｈが大きい場合、超音波センサ１と測定対象８の端部を結ぶ線と、超音波センサ１と測定対象８の中央部を結ぶ線がなす角度は、０に近づく。よって、式（３）において、θ→０とすると、Δｒ→０となり、測定対象８の中央部と、測定対象８の端部までの伝搬経路長の差は小さくなり、その位相差も小さくなる。したがって、超音波センサ１と測定対象８との距離が大きいほど、測定対象８の反射面上で位相は分布しなくなる。
If the
上述のように、超音波センサ１と測定対象８との間の距離が小さいほど、超音波７の広がりが大きくなり、測定対象８の反射面上に逆相成分が多く分布することになる。よって、逆相成分が多く反射され、超音波センサ１で受信されるので、距離測定誤差が大きくなり、検出精度が低下する。
As described above, the smaller the distance between the
図４は、送信用超音波センサと受信用超音波センサを用い、送信用超音波センサで受信したときの位相から求めた超音波センサと測定対象間の距離と測定誤差との関係を示す実験結果である。なお、実際の距離と、位相測定値から求めた距離との差を測定誤差としている。 FIG. 4 shows an experiment showing a relationship between a measurement error and a distance between an ultrasonic sensor and a measurement target obtained from a phase when the ultrasonic sensor for transmission and the ultrasonic sensor for reception are used and received by the ultrasonic sensor for transmission. It is a result. The difference between the actual distance and the distance obtained from the phase measurement value is used as a measurement error.
図４では、超音波センサと測定対象間の距離が小さくなるほど、測定誤差は大きくなる。これは、上述のように、測定対象が同じ大きさであれば、超音波センサと測定対象間の距離が小さくなるほど、測定対象の反射面において位相が分布して、逆相成分が多く反射されることによるものである。 In FIG. 4, the measurement error increases as the distance between the ultrasonic sensor and the measurement target decreases. As described above, when the measurement target is the same size, the smaller the distance between the ultrasonic sensor and the measurement target, the more the phase component is distributed on the reflection surface of the measurement target, and more anti-phase components are reflected. Is due to
上述のように、超音波センサ１と測定対象８との距離に応じて、測定誤差が変化する。この発明の実施の形態１に係る超音波距離計では、上記測定誤差を低減するために、超音波センサ１と測定対象８との距離に応じて、位相検出部４で検出された位相に、誤差を低減する補正処理を施す補正処理部５を備えている。補正処理部５では、超音波センサ１と測定対象８との距離に応じた補正処理が施される。
As described above, the measurement error changes according to the distance between the
例えば、車両と路面間距離を求めるために、この発明の実施の形態１の超音波距離計を用いる場合、車両と路面間距離は、車種によりほぼ一定値となり、上記一定値からの増減を求めることとなる。上記一定値からの増減は小さいため、上記増減に関わらず、同じ補正処理を施せばよい。したがって、補正処理部５で行う補正処理は、上記超音波距離計を設置する車両と路面間距離に応じた補正を設定することによって、計測誤差の低減を十分に行うことができる。上述の通り、通常、この種の超音波距離計は、測定対象との距離が限られた範囲で使用されることが多い。よって、あらかじめ、補正処理部５の測定対象との距離補正処理を決定すればよい。
For example, when the ultrasonic distance meter according to the first embodiment of the present invention is used to obtain the distance between the vehicle and the road surface, the distance between the vehicle and the road surface becomes a substantially constant value depending on the vehicle type, and the increase / decrease from the above constant value is obtained. It will be. Since the increase / decrease from the fixed value is small, the same correction process may be performed regardless of the increase / decrease. Therefore, the correction processing performed by the
以上のように、この発明の実施の形態１では、測定対象に向けて送信し、測定対象によって反射された超音波を超音波センサで受信したときの位相から前記測定対象との距離を検出する超音波距離計において、前記測定対象との距離に応じて、前記位相に補正を施すことにより、距離検出誤差を低減できる。 As described above, in the first embodiment of the present invention, the distance to the measurement target is detected from the phase when the ultrasonic wave transmitted to the measurement target and the ultrasonic wave reflected by the measurement target is received by the ultrasonic sensor. In the ultrasonic distance meter, the distance detection error can be reduced by correcting the phase according to the distance to the measurement target.
なお、図１では、超音波センサ１は、超音波を送信および受信することができる送受兼用のものとしているが、これに限定されるものではなく、超音波７の送信のみを行う送信センサと受信のみを行う受信センサを１組とした、送信センサと受信センサが別体のものを設けてもよい。
In FIG. 1, the
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る超音波距離計について図を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係る超音波距離計の構成を示すブロック図である。図５に示す実施の形態２において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図５に示す実施の形態２に係る超音波距離計は、図１に示す実施の形態１に係る構成の位相検出部４の代わりに、受信回路３で取り出された受信波の遅延時間を検出する遅延時間検出部９を備えたもので、補正処理部５は、この遅延時間検出部９で検出された遅延時間に、補正処理を施し、距離検出部６により、補正処理を施した遅延時間から距離を求めるようになされている。
An ultrasonic distance meter according to
この実施の形態２に係る超音波距離計は、超音波センサ１から測定対象８へ向け超音波７を送信し、測定対象８によって反射された超音波７を再び超音波センサ１で受信することで、受信時の遅延時間から超音波センサ１と測定対象８との距離を求めるものである。
The ultrasonic distance meter according to the second embodiment transmits the
次に、この実施の形態２に係る超音波距離計の動作について図面を参照しながら説明する。送信回路２は、特定の駆動信号を生成し、上記駆動信号を超音波センサ１へ供給する。超音波センサ１は、送信回路２で生成された駆動信号が与えられることによって、電気信号を振動エネルギーに変換して、所定の周波数の超音波７を測定対象８に向け送信する。超音波７は、超音波センサ１と測定対象８の間の空気中を伝搬し、測定対象８へと到達したときに、反射され超音波センサ１の方向へ伝搬していく。その後、反射された超音波７は超音波センサ１へと到達し、再び超音波センサ１で受信される。受信された超音波７は、電気信号へと変換され、受信回路３にて、送信に用いた所定の周波数成分だけが取り出された後、遅延時間検出部９に伝送される。遅延時間検出部９では超音波７が超音波センサ１で受信された時の遅延時間が求められ、補正処理部５にて、超音波センサ１と測定対象８間の距離に応じた補正が施される。距離検出部６では、補正が施された上記位相と、超音波７の伝搬速度とから、測定対象８までの距離が検出される。
Next, the operation of the ultrasonic distance meter according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. The
図２は、この発明の実施の形態２に係る超音波距離計における超音波の遅延時間から超音波センサと対象物との距離を求める方法をも説明する図である。図２に示すように、超音波センサ１から鉛直方向に送信された超音波７は、測定対象８で反射され、再び超音波センサ１へと到達する。超音波センサ１と測定対象８間の距離をｌ、超音波の伝搬速度をｖ、遅延時間をτとすると、超音波センサ１で送信された超音波７が測定対象８で反射され、再び超音波センサ１で受信されるまでの遅延時間τは、式（４）で表すことができる。
FIG. 2 is a view for explaining a method for obtaining the distance between the ultrasonic sensor and the object from the ultrasonic delay time in the ultrasonic distance meter according to
よって、遅延時間τを計測することで、超音波７の伝搬速度ｖから、超音波センサ１と測定対象８との距離ｌを求めることができる。
Therefore, by measuring the delay time τ, the distance l between the
遅延時間τと位相φには、式（５）の関係がある。したがって、遅延時間τは、超音波７の周波数から決まる係数が位相φに乗じられたものであるので、遅延時間τを計測することと、位相φを計測することは、本質的に同じである。よって、実施の形態２における動作は、実施の形態１で示した動作と同じであるので、ここでは、省略する。
The delay time τ and the phase φ have the relationship of equation (5). Therefore, since the delay time τ is obtained by multiplying the phase φ by a coefficient determined from the frequency of the
この発明の実施の形態２に係る超音波距離計では、測定誤差を低減するために、超音波センサ１と測定対象８との距離に応じて、遅延時間検出部９で検出された遅延時間に、誤差を低減する補正処理を施す補正処理部５を備えている。補正処理部５では、超音波センサ１と測定対象８との距離に応じた補正処理が施される。
In the ultrasonic distance meter according to
通常、この種の超音波距離計は、測定対象との距離が限られた範囲で使用されることが多い。よって、あらかじめ、補正処理部５の測定対象との距離補正処理を決定すればよい。
Usually, this type of ultrasonic rangefinder is often used in a range where the distance to the measurement object is limited. Therefore, the distance correction process with the measurement target of the
以上のように、この発明の実施の形態２では、測定対象に向けて送信し、測定対象によって反射された超音波を超音波センサで受信したときの遅延時間から前記測定対象との距離を検出する超音波距離計において、前記測定対象との距離に応じて、前記遅延時間に補正を施すことにより、距離検出誤差を低減できる。 As described above, in the second embodiment of the present invention, the distance to the measurement target is detected from the delay time when the ultrasonic wave transmitted to the measurement target and the ultrasonic wave reflected by the measurement target is received by the ultrasonic sensor. In the ultrasonic distance meter, the distance detection error can be reduced by correcting the delay time according to the distance to the measurement object.
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る超音波傾斜計について図を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態３に係る超音波傾斜計の構成を示すブロック図である。図６に示す実施の形態３に係る超音波傾斜計は、測定対象８に対し超音波７を送受信する超音波センサ１ａ、１ｂと、特定の駆動信号を生成して超音波センサ１ａ、１ｂを駆動する送信回路２と、超音波センサ１ａ、１ｂで受信された超音波から特定の周波数成分を取り出す受信回路３と、受信回路３で取り出されたそれぞれの受信波の位相を検出する位相検出部４と、位相検出部４で検出された超音波センサ１ａの位相と超音波センサ１ｂの位相の差を検出する位相差検出部１０と、位相差検出部１０で検出された位相差に補正処理を施す補正処理部５と、補正処理を施した位相差から傾斜角度を検出する傾斜角度検出部１１とから構成されている。
An ultrasonic inclinometer according to
この実施の形態３に係る超音波傾斜計は、超音波センサ１ａおよび１ｂから測定対象８へ向け超音波７を送信し、測定対象８によって反射された超音波７を再び超音波センサ１ａおよび１ｂで受信することで、受信時の位相差から超音波センサ１ａ、１ｂと測定対象８との傾斜角度を求めるものである。
The ultrasonic inclinometer according to the third embodiment transmits the
次に、この実施の形態３に係る超音波傾斜計の動作について図面を参照しながら説明する。送信回路２は、特定の駆動信号を生成し、上記駆動信号を超音波センサ１ａおよび１ｂへ供給する。超音波センサ１ａおよび１ｂは、送信回路２で生成された駆動信号が与えられることによって、電気信号を振動エネルギーに変換して、所定の周波数の超音波７ａ、７ｂを測定対象８に向け送信する。超音波７ａ、７ｂは、超音波センサ１と測定対象８の間の空気中を伝搬し、測定対象８へと到達したときに反射され、超音波センサ１ａおよび１ｂの方向へ伝搬していく。その後、反射された超音波７ａおよび７ｂは超音波センサ１ａおよび１ｂへと到達し、再び超音波センサ１ａおよび１ｂで受信される。受信された超音波７ａおよび７ｂは、電気信号へと変換され、受信回路３にて、送信に用いた所定の周波数成分だけが取り出された後、位相検出部４に伝送される。位相検出部４では超音波７ａおよび７ｂが超音波センサ１ａおよび１ｂで受信された時の位相が求められた後、位相差検出部１０で超音波７ａと７ｂの位相差が検出される。位相差検出部１０で検出された位相差は、補正処理部５にて、超音波センサ１と測定対象８間の距離に応じた補正が施される。傾斜角度検出部１１では、補正が施された上記位相差から、超音波センサ１ａおよび１ｂと測定対象８との傾斜角度が検出される。
Next, the operation of the ultrasonic inclinometer according to the third embodiment will be described with reference to the drawings. The
図７は、この発明の実施の形態３に係る超音波傾斜計における超音波の位相差から超音波センサと測定対象との傾斜角度を求める方法を説明する図である。図７に示すように、超音波センサ１ａから鉛直方向に送信された超音波７ａは、角度ψ傾斜した測定対象８で反射され、再び超音波センサ１ａへと到達する。同様に、超音波センサ１ｂからほぼ鉛直方向に送信された超音波７ｂは測定対象物８で反射され、再び超音波センサ１ｂへと到達する。超音波７ａの経路長をＬａ、超音波７ｂの経路長をＬｂとし、超音波７ａおよび７ｂの伝搬速度をｖ、周波数をｆとすると、超音波センサ１ａで送信された超音波が再び超音波センサ１ａで受信されるまでの位相φａは式（６）で表すことができる。
FIG. 7 is a diagram for explaining a method for obtaining the inclination angle between the ultrasonic sensor and the measurement object from the phase difference of the ultrasonic waves in the ultrasonic inclinometer according to
同様にして、超音波センサ１ｂで送信された超音波が再び超音波センサ１ｂで受信されるまでの時間φｂは式（７）で表すことができる。
Similarly, the time φ b until the ultrasonic wave transmitted by the
超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂから超音波７ａ、７ｂが同時刻に送信されたとすると、超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂでの位相差Δφは式（８）で表すことができる。
If the
超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂ間の距離をｗとすると、超音波センサ１、２と測定対象物８との傾斜角度ψは、式（９）で表すことができる。
When the distance between the
したがって、超音波センサ１ａと１ｂの位相差Δφを検出することにより超音波センサと測定対象物の傾斜角度ψを測定することができる。
Therefore, the inclination angle ψ between the ultrasonic sensor and the measurement object can be measured by detecting the phase difference Δφ between the
実施の形態３における超音波傾斜計では、超音波センサ１ａおよび１ｂで送・受信された超音波７ａおよび７ｂの位相を測定し、これらの位相差から傾斜角度を求めている。したがって、前述と同様に、超音波が測定対象の面上にもつ位相分布による測定誤差が問題となる。そこで、この発明の実施の形態３では、超音波センサ１ａおよび１ｂで受信された超音波７ａおよび７ｂの位相差に、測定対象との距離に応じた補正処理を施す補正処理部５を備えることを特徴とする。位相差検出部１０で検出された位相差に補正処理を施すことにより、傾斜角度検出部１１で検出される傾斜角度は、誤差の小さな傾斜角度を検出することができる。
In the ultrasonic inclinometer in the third embodiment, the phases of the
なお、実施の形態３では、位相差検出部１０で超音波７ａ、７ｂの位相差を検出した後、補正処理部５にて補正処理を施しているが、これに限るものではなく、位相検出部４で、超音波７ａ、７ｂそれぞれの位相を検出し、前記それぞれの位相に対して補正処理を施した後、位相差を検出するようにしてもよい。また、超音波センサとして、２つの超音波センサ１ａおよび１ｂを用いたが、２個以上の超音波センサを用いればさらに測定精度が高まる。
In the third embodiment, after the phase difference between the
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る超音波傾斜計について図を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態４に係る超音波傾斜計の構成を示すブロック図である。図８に示す実施の形態４において、図６に示す実施の形態３と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図８に示す実施の形態４に係る超音波傾斜計は、図６に示す実施の形態３に係る構成の位相検出部４及び位相差検出部１０の代わりに、受信回路３で取り出された２つの受信波の遅延時間をそれぞれ検出する遅延時間検出部９及び遅延時間相互の遅延時間差を検出する遅延時間検出部１２を備えたもので、補正処理部５は、この遅延時間差検出部１２で検出された遅延時間差に、補正処理を施し、傾斜角度検出部１１により、補正処理を施した遅延時間差から傾斜角度を求めるようになされている。
An ultrasonic inclinometer according to
この実施の形態４に係る超音波傾斜計は、超音波センサ１ａおよび１ｂから測定対象８へ向け超音波７ａ、７ｂを送信し、測定対象８によって反射された超音波７ａ、７ｂを再び超音波センサ１ａおよび１ｂで受信することで、受信時の遅延時間差から超音波センサ１ａ、１ｂと測定対象８との傾斜角度を求めるものである。
The ultrasonic inclinometer according to the fourth embodiment transmits
次に、この実施の形態４に係る超音波傾斜計の動作について図面を参照しながら説明する。送信回路２は、特定の駆動信号を生成し、上記駆動信号を超音波センサ１ａおよび１ｂへ供給する。超音波センサ１ａおよび１ｂは、送信回路２で生成された駆動信号が与えられることによって、電気信号を振動エネルギーに変換して、所定の周波数の超音波７ａ、７ｂを測定対象８に向け送信する。超音波７ａ、７ｂは、超音波センサ１と測定対象８の間の空気中を伝搬し、測定対象８へと到達したときに反射され、超音波センサ１ａおよび１ｂの方向へ伝搬していく。その後、反射された超音波７ａ、および７ｂは超音波センサ１ａおよび１ｂへと到達し、再び超音波センサ１ａおよび１ｂで受信される。受信された超音波７ａおよび７ｂは、電気信号へと変換され、受信回路３にて、送信に用いた所定の周波数成分だけが取り出された後、遅延時間検出部９に伝送される。遅延時間検出部９では超音波７ａおよび７ｂが超音波センサ１ａおよび１ｂで受信された時の遅延時間が求められた後、遅延時間差検出部１２で超音波７ａと７ｂの遅延時間差が検出される。遅延時間差検出部１２で検出された遅延時間差は、補正処理部５にて、超音波センサ１と測定対象８間の距離に応じた補正が施される。傾斜角度検出部１１では、補正が施された上記遅延時間差から、超音波センサ１ａおよび１ｂと測定対象８との傾斜角度が検出される。
Next, the operation of the ultrasonic inclinometer according to the fourth embodiment will be described with reference to the drawings. The
この発明の実施の形態４に係る超音波傾斜計における超音波の遅延時間差から超音波センサと測定対象との傾斜角度を求める方法を説明する図である。図７に示すように、超音波センサ１ａから鉛直方向に送信された超音波７ａは、角度ψ傾斜した測定対象８で反射され、再び超音波センサ１ａへと到達する。同様に、超音波センサ１ｂからほぼ鉛直方向に送信された超音波７ｂは測定対象物８で反射され、再び超音波センサ１ｂへと到達する。超音波７ａの経路長をＬａ、超音波７ｂの経路長をＬｂとし、超音波７ａおよび７ｂの伝搬速度をｖ、周波数をｆとすると、超音波センサ１ａで送信された超音波が再び超音波センサ１ａで受信されるまでの遅延時間τａは式（１０）で表すことができる。
It is a figure explaining the method of calculating | requiring the inclination angle of an ultrasonic sensor and a measuring object from the delay time difference of the ultrasonic wave in the ultrasonic inclinometer which concerns on
同様にして、超音波センサ１ｂで送信された超音波が再び超音波センサ１ｂで受信されるまでの遅延時間τｂは式（１１）で表すことができる。
Similarly, the delay time τ b until the ultrasonic wave transmitted by the
超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂから超音波７ａ、７ｂが同時刻に送信されたとすると、超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂでの遅延時間差Δτは式（１２）で表すことができる。
If the
超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂ間の距離をｗとすると、超音波センサ１、２と測定対象物８との傾斜角度ψは、式（１３）で表すことができる。
When the distance between the
したがって、超音波センサ１ａと１ｂの遅延時間差Δτを検出することにより超音波センサと測定対象物の傾斜角度ψを測定することができる。
Therefore, the inclination angle ψ between the ultrasonic sensor and the measurement object can be measured by detecting the delay time difference Δτ between the
実施の形態４における超音波傾斜計では、超音波センサ１ａおよび１ｂで送受信された超音波７ａおよび７ｂの遅延時間をそれぞれ測定し、これらの遅延時間差から傾斜角度を求めている。したがって、前述と同様に、超音波が測定対象の面上にもつ位相分布による測定誤差が問題となる。そこで、この発明の実施の形態４では、超音波センサ１ａおよび１ｂで受信された超音波７ａおよび７ｂの遅延時間差に、測定対象との距離に応じた補正処理を施す補正処理部５を備えることを特徴とする。
In the ultrasonic inclinometer in the fourth embodiment, the delay times of the
遅延時間差検出部１２で検出された遅延時間差に補正処理を施すことにより、傾斜角度検出部１１で検出される傾斜角度は、誤差の小さな傾斜角度を検出することができる。
By performing correction processing on the delay time difference detected by the delay time
なお、実施の形態４では、遅延時間差検出部１２で超音波７ａ、７ｂの遅延時間差を検出した後、補正処理部５にて補正処理を施しているが、これに限るものではなく、遅延時間検出部９で、超音波７ａ、７ｂそれぞれの遅延時間を検出し、各遅延時間に対して補正処理を施した後、遅延時間差を検出するようにしてもよい。また、超音波センサとして、２つの超音波センサ１ａおよび１ｂを用いたが、２個以上の超音波センサを用いればさらに測定精度が高まる。
In the fourth embodiment, after the delay time
実施の形態５．
図９は、超音波センサと測定対象間の実際の距離から求めることができる位相と、位相測定値との関係を示した模式図である。実際の位相をφ０、測定値をφとすると、φ０とφとの関係は、数式１４のような関係にある。ここで、αは超音波センサと測定対象間の距離に依存した関数である。図９中の点線で示している直線は、超音波センサと測定対象間の距離に関わらず、φがφ０と等しい場合であり、数式１５で表すことができる。図９に示すとおり、式（１４）は、φ０が大きくなるにつれ、式（１５）に漸近していく。すなわち、測定距離が大きいほど誤差が小さくなることを示している。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the relationship between the phase that can be obtained from the actual distance between the ultrasonic sensor and the measurement target and the phase measurement value. Assuming that the actual phase is φ 0 and the measured value is φ, the relationship between φ 0 and φ is as shown in Equation 14. Here, α is a function depending on the distance between the ultrasonic sensor and the measurement object. A straight line indicated by a dotted line in FIG. 9 is a case where φ is equal to φ 0 regardless of the distance between the ultrasonic sensor and the measurement target, and can be expressed by Equation 15. As shown in FIG. 9, equation (14) is, as phi 0 is increased, asymptotically approaches the equation (15). That is, the error becomes smaller as the measurement distance is larger.
よって、測定距離に関わらず、計測誤差を小さくするために、すべての距離において、式（１４）のαが１となるように式（１４）の係数の逆特性の係数を計測値に乗ずればよい。 Therefore, in order to reduce the measurement error regardless of the measurement distance, the measured value is shifted by the coefficient of the inverse characteristic of the coefficient of Expression (14) so that α of Expression (14) becomes 1 at all distances. That's fine.
この発明の実施の形態５では、補正処理部５において、計測した位相に実際の距離から求めることができる位相と計測値との関係の逆特性を位相計測値に乗ずることにより、計測誤差を低減することを特徴としている。
In
実際の距離から求めることができる位相と、位相測定値との関係は、あらかじめ実験等から得ておき、データベース化しておき、補正処理部５に格納する。補正処理部５では、測定対象との距離に応じた係数を呼び出し、位相検出部４で検出された位相に補正処理を施す。距離検出部６では、補正処理を施された位相から距離が検出される。したがって、距離検出部６では、測定距離に関わらず、精度よく測定対象までの距離が検出される。
The relationship between the phase that can be obtained from the actual distance and the phase measurement value is obtained in advance from experiments and the like, stored in the
なお、ここでは、位相に関して説明したが、遅延時間の場合も、本質的に同じであり、位相の場合と同様の効果を得ることができ、実施の形態１乃至４に適用できる。 Although the phase has been described here, the delay time is essentially the same, and the same effect as in the case of the phase can be obtained and can be applied to the first to fourth embodiments.
１，１ａ，１ｂ 超音波センサ、２ 送信回路、３ 受信回路、４ 位相検出部、５ 補正処理部、６ 距離検出部、７ 超音波、８ 測定対象、９ 遅延時間検出部、１０ 位相差検出部、１１ 傾斜角度検出部、１２ 遅延時間差検出部。
1, 1a, 1b Ultrasonic sensor, 2 transmitter circuit, 3 receiver circuit, 4 phase detector, 5 correction processor, 6 distance detector, 7 ultrasound, 8 measurement object, 9 delay time detector, 10 phase difference detection Part, 11 inclination angle detection part, 12 delay time difference detection part.
Claims (6)
前記測定対象との距離に応じて前記位相に補正を施す補正処理部を備えたことを特徴とする超音波距離計。 An ultrasonic sensor that transmits an ultrasonic wave toward the measurement target and receives the ultrasonic wave reflected by the measurement target; and a phase detection unit that detects a phase when the ultrasonic sensor receives the ultrasonic wave. An ultrasonic distance meter that measures the distance to the object to be measured,
An ultrasonic distance meter comprising a correction processing unit that corrects the phase in accordance with a distance from the measurement object.
前記測定対象との距離に応じて前記遅延時間に補正を施す補正処理部を備えたことを特徴とする超音波距離計。 An ultrasonic sensor that transmits an ultrasonic wave toward the measurement target and receives an ultrasonic wave reflected by the measurement target; and a delay time detection unit that detects a delay time when the ultrasonic sensor receives the ultrasonic wave. An ultrasonic rangefinder that measures a distance to the measurement object according to a delay time,
An ultrasonic distance meter comprising: a correction processing unit that corrects the delay time according to a distance from the measurement object.
前記補正処理部は、測定対象との距離と、計測値との関係の逆特性の係数を測定値に乗ずることで補正処理を行う
ことを特徴とする超音波距離計。 The ultrasonic rangefinder according to claim 1 or 2,
The ultrasonic distance meter, wherein the correction processing unit performs correction processing by multiplying a measurement value by a coefficient of an inverse characteristic of a relationship between a distance to a measurement object and a measurement value.
前記補正処理部は、測定対象との距離と、計測値との関係の逆特性の係数を測定値に乗ずることで補正処理を行う
ことを特徴とする超音波傾斜計。 The ultrasonic inclinometer according to claim 4 or 5,
The ultrasonic inclinometer, wherein the correction processing unit performs correction processing by multiplying a measurement value by a coefficient of an inverse characteristic of a relationship between a distance to a measurement object and a measurement value.
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