JP2021032767A - Ultrasonic measuring method and ultrasonic measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波計測方法、及び超音波計測装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic measuring method and an ultrasonic measuring device.
従来、対象物に向かって超音波の送受信処理を実施して、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、対象物までの距離を計測する超音波計測装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, an ultrasonic measuring device has been known in which ultrasonic wave transmission / reception processing is performed toward an object and the distance to the object is measured based on the time from the ultrasonic wave transmission timing to the ultrasonic wave reception timing. (See, for example, Patent Document 1).
このような超音波計測装置では、超音波を受信した際の受信信号の波形データのうち、閾値を超える受信信号のゼロクロス点に基づいて受信タイミングを特定する。しかしながら、超音波計測装置から対象物までの間の距離が長くなるに従って、超音波受信部で受信される超音波の音圧が低下するため、閾値を超える受信信号の数や位置も変動する。この場合、超音波の受信タイミングとして設定するゼロクロス点が測定毎に変動する場合があり、オフセット誤差が発生してしまう。例えば、1回目の測定では、1番目に出力される受信信号のゼロクロス点が受信タイミングとして設定され、2回目の測定では、2番目に出力される受信信号のゼロクロス点が受信タイミングとして設定されると、1波分の受信信号のずれがオフセット誤差となり、測定精度が低下する。 In such an ultrasonic measuring device, the reception timing is specified based on the zero crossing point of the received signal exceeding the threshold value in the waveform data of the received signal when the ultrasonic wave is received. However, as the distance from the ultrasonic measuring device to the object increases, the sound pressure of the ultrasonic waves received by the ultrasonic receiving unit decreases, so that the number and position of received signals exceeding the threshold value also fluctuate. In this case, the zero cross point set as the ultrasonic wave reception timing may fluctuate for each measurement, and an offset error occurs. For example, in the first measurement, the zero cross point of the first output received signal is set as the reception timing, and in the second measurement, the zero cross point of the second output received signal is set as the reception timing. Then, the deviation of the received signal for one wave becomes an offset error, and the measurement accuracy is lowered.
そこで、特許文献1に記載の超音波計測装置では、複数回の超音波処理を実施し、各回に対応した波形データを得る。次に、1回目の超音波処理の波形データに対して仮の基準ゼロクロス点を設定し、i回目の超音波処理の波形データの基準ゼロクロス点を、i−1回目の波形データの基準ゼロクロス点に基づいて設定する。この後、各回のj番目(j=0,1,2,…J)の波における振幅を求め、その平均振幅Sjを算出する。そして、j番目の平均振幅Sjと、j+1番目の平均振幅Sj+1との振幅比Rjが最大となる波のゼロクロス点の2波後のゼロクロス点を受信タイミングとし、超音波計測装置から対象物までの距離を算出する。
Therefore, in the ultrasonic measuring apparatus described in
しかしながら、特許文献1に記載の超音波計測装置による超音波計測方法では、対象物までの距離を1回計測するために、複数回の超音波処理を実施して、複数回の超音波処理で得られる各々の波形データを記憶部に記憶する必要がある。したがって、記憶部として、大容量の記憶領域が必要となり、超音波計測装置のコストが高くなり、処理時間も長くなるとの課題があった。
However, in the ultrasonic measurement method using the ultrasonic measuring device described in
第一適用例に係る超音波計測方法は、対象物に超音波を送信する超音波送信部と、前記対象物により反射された超音波を受信して複数のピークを含む信号波形の受信信号を出力する超音波受信部と、前記受信信号を増幅する可変ゲインアンプと、を備えた超音波計測装置の超音波計測方法であって、前記可変ゲインアンプのゲインを設定するゲイン設定ステップを実施し、前記ゲイン設定ステップは、前記可変ゲインアンプから出力される前記受信信号の前記信号波形に含まれる所定番目のピークが閾値電圧以上となるように、または、前記閾値電圧以上のピークから得られる包絡線の時間幅が所定の時間幅となるように、前記可変ゲインアンプのゲインを設定する。 In the ultrasonic measurement method according to the first application example, an ultrasonic transmission unit that transmits ultrasonic waves to an object and a received signal having a signal waveform including a plurality of peaks by receiving the ultrasonic waves reflected by the object are used. It is an ultrasonic measurement method of an ultrasonic measuring device including an ultrasonic receiving unit for outputting and a variable gain amplifier for amplifying the received signal, and a gain setting step for setting the gain of the variable gain amplifier is performed. In the gain setting step, a predetermined peak included in the signal waveform of the received signal output from the variable gain amplifier is equal to or higher than the threshold voltage, or is obtained from a peak having the threshold voltage or higher. The gain of the variable gain amplifier is set so that the time width of the line becomes a predetermined time width.
第一適用例の超音波計測方法において、前記ゲイン設定ステップは、前記受信信号に含まれる複数の前記ピークの信号電圧のうちの最大信号電圧を検出し、前記最大信号電圧が、所定の基準電圧と異なる場合に、基準ゲインに対して(基準電圧/最大信号電圧)倍となる前記ゲインを設定してもよい。 In the ultrasonic measurement method of the first application example, the gain setting step detects the maximum signal voltage among the plurality of signal voltages of the peaks included in the received signal, and the maximum signal voltage is a predetermined reference voltage. If it is different from the above, the gain may be set to be (reference voltage / maximum signal voltage) times the reference gain.
第一適用例の超音波計測方法において、前記ゲイン設定ステップは、前記包絡線を形成し、前記包絡線の信号電圧が前記閾値電圧以上となる期間の時間幅を検出し、前記時間幅と前記ゲインとの関係を示す第一検量線データに基づいて、検出された前記時間幅に対する前記ゲインを設定してもよい。 In the ultrasonic measurement method of the first application example, the gain setting step forms the envelope, detects the time width of the period during which the signal voltage of the envelope becomes equal to or higher than the threshold voltage, and the time width and the said. The gain may be set with respect to the detected time width based on the first calibration curve data showing the relationship with the gain.
第一適用例の超音波計測方法において、前記ゲイン設定ステップは、前記受信信号に含まれる前記閾値電圧以上の前記ピークの数を計測し、前記閾値電圧以上の前記ピークの数と前記ゲインとの関係、または、前記ピークの数から得られる複数の前記受信信号が連続して前記閾値電圧以上となる期間の時間幅と前記ゲインとの関係を示す第二検量線データに基づいて、計測された前記ピークの数に対する前記ゲインを設定してもよい。 In the ultrasonic measurement method of the first application example, the gain setting step measures the number of the peaks having the threshold voltage or more included in the received signal, and the number of the peaks having the threshold voltage or more and the gain. It was measured based on the relationship or the second calibration line data showing the relationship between the gain and the time width of the period during which the plurality of received signals obtained from the number of peaks continuously exceed the threshold voltage. The gain may be set for the number of peaks.
第二適用例に係る超音波計測装置は、対象物に超音波を送信する超音波送信部と、前記対象物により反射された超音波を受信して複数のピークを含む信号波形の受信信号を出力する超音波受信部と、前記受信信号を増幅する可変ゲインアンプと、前記可変ゲインアンプから出力される前記受信信号の信号波形に含まれる所定番目のピークが閾値電圧以上となるように、または、前記閾値電圧以上のピークから得られる包絡線の時間幅が所定の時間幅となるように、前記可変ゲインアンプのゲインを設定する制御部と、を備える。 The ultrasonic measuring device according to the second application example has an ultrasonic transmitting unit that transmits ultrasonic waves to an object and a received signal having a signal waveform including a plurality of peaks by receiving the ultrasonic waves reflected by the object. The output ultrasonic receiver, the variable gain amplifier that amplifies the received signal, and the predetermined peak included in the signal waveform of the received signal output from the variable gain amplifier are set to be equal to or higher than the threshold voltage. A control unit that sets the gain of the variable gain amplifier so that the time width of the envelope obtained from the peak above the threshold voltage becomes a predetermined time width is provided.
第二適用例の超音波計測装置において、前記可変ゲインアンプから出力される前記受信信号に含まれる複数の前記ピークの信号電圧を測定する電圧測定部を備え、前記制御部は、前記電圧測定部により測定された複数の前記ピークの信号電圧のうちの最大信号電圧を検出し、前記最大信号電圧が、所定の基準電圧と異なる場合に、基準ゲインに対して(基準電圧/最大信号電圧)倍となる前記ゲインを設定してもよい。 The ultrasonic measuring device of the second application example includes a voltage measuring unit for measuring signal voltages of a plurality of the peaks included in the received signal output from the variable gain amplifier, and the control unit is the voltage measuring unit. The maximum signal voltage among the plurality of signal voltages of the peaks measured by is detected, and when the maximum signal voltage is different from a predetermined reference voltage, it is multiplied by (reference voltage / maximum signal voltage) with respect to the reference gain. The gain may be set.
第二適用例の超音波計測装置において、前記可変ゲインアンプから出力される前記包絡線を形成し、前記包絡線の信号電圧が前記閾値電圧以上となる期間の時間幅を検出する包絡線処理部を備え、前記制御部は、前記時間幅と前記ゲインとの関係を示す第一検量線データに基づいて、前記包絡線処理部で検出された前記時間幅に対する前記ゲインを設定してもよい。 In the ultrasonic measuring device of the second application example, the envelope processing unit that forms the envelope output from the variable gain amplifier and detects the time width of the period during which the signal voltage of the envelope becomes equal to or higher than the threshold voltage. The control unit may set the gain with respect to the time width detected by the envelope processing unit based on the first calibration line data showing the relationship between the time width and the gain.
第二適用例の超音波計測装置において、前記可変ゲインアンプから出力される前記受信信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部をさらに備え、前記ゼロクロス検出部は、前記受信信号の波形に含まれる前記閾値電圧以上の前記ピークに対してゼロクロス検出パルスを出力し、前記制御部は、前記ゼロクロス検出部から出力される前記ゼロクロス検出パルスに基づいて、前記受信信号に含まれる前記閾値電圧以上の前記ピークの数を計測し、前記閾値電圧以上の前記ピークの数と前記ゲインとの関係、または、前記ピークの数から得られる複数の前記受信信号が連続して前記閾値電圧以上となる期間の時間幅と前記ゲインとの関係を示す第二検量線データに基づいて、計測された前記ピークの数に対する前記ゲインを設定してもよい。 The ultrasonic measuring device of the second application example further includes a zero cross detection unit that detects a zero cross point of the received signal output from the variable gain amplifier, and the zero cross detection unit is included in the waveform of the received signal. A zero-cross detection pulse is output for the peak above the threshold voltage, and the control unit outputs the peak above the threshold voltage included in the received signal based on the zero-cross detection pulse output from the zero-cross detection unit. The relationship between the number of peaks above the threshold voltage and the gain, or the time width of the period during which the plurality of received signals obtained from the number of peaks continuously exceed the threshold voltage. The gain may be set with respect to the number of measured peaks based on the second calibration line data showing the relationship between the gain and the gain.
[第一実施形態]
以下、第一実施形態の超音波計測装置について説明する。
図1は、本実施形態の超音波計測装置10の概略構成を示す模式図である。
超音波計測装置10は、超音波デバイス20と、超音波デバイス20を制御する制御回路30とを備える。この超音波計測装置10は、制御回路30の制御により超音波デバイス20から対象物1に向かって超音波を送信し、対象物1で反射された超音波を超音波デバイス20で受信する超音波送受処理を実施する。そして、制御回路30は、超音波デバイス20による超音波送受処理の超音波の送信タイミングから、対象物1で反射された超音波の受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス20から対象物1までの距離を算出する。
以下、このような超音波計測装置10の各構成の詳細について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, the ultrasonic measuring apparatus of the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a schematic view showing a schematic configuration of the
The
Hereinafter, details of each configuration of such an
[超音波デバイス20の構成]
図2は、超音波デバイス20の構成例を示す断面図である。
超音波デバイス20は、対象物1に超音波を送信し、対象物1で反射された超音波を受信する超音波送受処理を実施して、超音波の受信により受信信号を出力する。すなわち、本実施形態において、超音波デバイス20は、超音波送受部及び超音波受信部として機能する。図2に示すように、この超音波デバイス20は、素子基板21と、振動板22と、圧電素子23と、を備えて構成されている。なお、以降の説明にあたり、超音波デバイス20から対象物1に向かう超音波の送受信方向をZ方向とする。
[Configuration of ultrasonic device 20]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of the
The
素子基板21は、振動板22を支持する基板であり、Si等の半導体基板で構成される。素子基板21には、Z方向に沿って素子基板21を貫通する複数の開口部211が設けられている。
The
振動板22は、例えばSiO2及びZrO2の積層体等より構成され、素子基板21の−Z側に設けられる。この振動板22は、開口部211を構成する素子基板21により支持され、開口部211の−Z側を閉塞する。振動板22のうち、Z方向から見た際に各開口部211と重なる部分は、振動板22において、振動により超音波の送受信を行う振動部221を構成する。
The
圧電素子23は、振動板22上で、かつ、Z方向から見た際に、各振動部221と重なる位置に設けられている。この圧電素子23は、図2に示すように、振動板22上に下部電極231、圧電膜232、及び上部電極233が順に積層されることにより構成されている。
The
このような超音波デバイス20では、1つの振動部221と当該振動部221上に配置された圧電素子23とにより、1つの超音波トランスデューサー24が構成される。
そして、この超音波デバイス20では、下部電極231及び上部電極233との間に電圧が印加されると、圧電膜232が伸縮して、振動部221が開口部211の開口幅等に応じた発振周波数で振動する。これにより、振動部221から+Z側に向かって超音波が送信される。
また、超音波デバイス20では、対象物1で反射された超音波を振動部221に入力されると、振動部221が入力された超音波の音圧に応じた振幅で振動し、圧電膜232の下部電極231側と上部電極233側との間で電位差が発生する。よって、各圧電素子23から当該電位差に応じた受信信号が出力される。
すなわち、超音波デバイス20の各超音波トランスデューサー24は、対象物1に超音波を送信する超音波送信部として機能するとともに、対象物1により反射された超音波を受信する超音波受信部としても機能する。なお、ここでは、送受一体型の超音波トランスデューサー24を備える超音波デバイス20を例示するが、超音波送信部として機能する送信用超音波トランスデューサーと、超音波受信部として機能する受信用超音波トランスデューサーと、がそれぞれ別体として設けられる構成としてもよい。
In such an
Then, in this
Further, in the
That is, each
図3は、超音波デバイス20における超音波トランスデューサー24の接続例を示す図である。
本実施形態では、複数の超音波デバイス20は、n行m列のマトリクス状に配置されている。そして、各超音波デバイス20の下部電極231は、第一バイパス配線231Aにより互いに結線され、素子基板21の一部に設けられた第一端子251に接続されている。同様に、各超音波デバイス20の上部電極233は、第二バイパス配線233Aにより互いに結線され、素子基板21の一部に設けられた第二端子252に接続されている。これらの第一端子251及び第二端子252は、それぞれ制御回路30に接続されている。このような構成では、第一端子251と第二端子252との間に電圧を印加することで、全ての超音波トランスデューサー24を同時に駆動させることができる。
なお、図3に示す例は、全ての超音波トランスデューサー24の下部電極231を結線して第一端子251に接続する構成例であるが、所定数の超音波トランスデューサー24を1つのチャンネルとし、各チャンネルに対して、第一端子251を設ける構成としてもよい。この場合、全ての第一端子251と第二端子252との間に同時に駆動信号を入力することで、図3と同様に、全ての超音波トランスデューサー24を同時に駆動させることができる。また、各第一端子251を個別に駆動させることも可能となる。この場合、駆動させるチャンネル数を制御することで送信音圧の調整を行うこともでき、各チャンネルの駆動タイミングを遅延制御することで、超音波の送信方向を制御することもできる。また、複数のチャンネルを、超音波を送信する送信用チャンネルと、超音波を受信する受信用チャンネルとに分けて用いてもよい。
FIG. 3 is a diagram showing a connection example of the
In this embodiment, the plurality of
The example shown in FIG. 3 is a configuration example in which the
[制御回路30の構成]
図1に戻り、制御回路30について説明する。制御回路30は、超音波デバイス20を制御する制御部であり、上述したように、超音波デバイス20の第一端子251及び第二端子252に接続されている。
この制御回路30は、図1に示すように、スイッチング回路31、シグナルグラウンド32、送信回路部33、受信回路部34、及びマイコン35(マイクロコントローラー)を備えている。
[Structure of control circuit 30]
Returning to FIG. 1, the
As shown in FIG. 1, the
スイッチング回路31は、超音波デバイス20の第一端子251、送信回路部33、及び受信回路部34に接続されている。このスイッチング回路31は、マイコン35の制御に基づいて、第一端子251及び送信回路部33を接続する送信接続と、第一端子251及び受信回路部34を接続する受信接続とに切り替える。
シグナルグラウンド32は、第二端子252に接続されるグラウンドであり、第二端子252を所定の基準電位に維持する。
The switching
The
送信回路部33は、駆動パルス発生回路331、及び送信駆動回路332等を含む。
駆動パルス発生回路331は、マイコン35により制御され、超音波デバイス20により超音波送受処理を実施する開始タイミングで、超音波の発振周波数と同じ周波数の所定波数の送信パルスを発生させて送信駆動回路332に出力する。
送信駆動回路332は、送信パルスの入力タイミングで、第一端子251に所定の電圧の駆動信号を出力する。これにより、各超音波トランスデューサー24が駆動され、超音波デバイス20から対象物1に向かって超音波が出力される。
The
The drive
The
受信回路部34は、可変ゲインアンプ341、コンパレーター342、第一受信処理回路343等を含む。
可変ゲインアンプ341は、マイコン35からの制御信号に基づいてゲインを変更し、超音波デバイス20において超音波を受信した際に出力される受信信号を、設定されたゲインで増幅させる。
コンパレーター342は、マイコン35から閾値電圧を受信し、可変ゲインアンプ341で増幅された受信信号のうち、信号電圧が閾値電圧を超える受信信号のゼロクロス点を検出する。つまり、コンパレーター342は、ゼロクロス検出部として機能する。そして、コンパレーター342は、ゼロクロス点が検出されたタイミングでゼロクロス検出パルスをマイコン35に出力する。なお、本実施形態では、マイコン35により設定される閾値電圧は一定値である。
The
The
The
第一受信処理回路343は、可変ゲインアンプ341からの受信信号が入力される。この第一受信処理回路343には、ピークホールド回路及び波形成形回路が含まれる。つまり、第一受信処理回路343は、入力された受信信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、受信信号の信号波形を生成する。この受信信号の信号波形は、時間に対する受信信号の信号電圧の変化を示し、複数のピークが含まれる。そして、第一受信処理回路343は、受信信号の信号波形における各ピークの信号電圧であるピーク電圧を測定する。つまり、本実施形態の第一受信処理回路343は、電圧測定部として機能する。また、第一受信処理回路343は、各ピークのピーク電圧をマイコン35に出力する。
なお、ここでは、第一受信処理回路343が、ピークホールド回路と、受信信号の信号波形を形成する波形成形回路とを含む構成としたが、波形成形回路の代わりに、受信信号の包絡線を形成する包絡線成形回路が設けられていてもよく、この場合、包絡線に基づいて最大信号電圧を検出すればよい。
The first
Here, the first
マイコン35は、各種プログラムや各種データが記憶されるメモリー351、及びメモリー351に記憶されたプログラムの命令セットを実行するプロセッサー352を含む。そして、マイコン35は、メモリー351に記憶されたプログラムをプロセッサー352により実行することで、送信指令部353、ゲイン設定部354、受信設定部355、及び距離計測部356として機能する。
The
送信指令部353は、駆動パルス発生回路331に送信パルスの生成指令を出力する。送信パルスの生成指令は、超音波計測装置10に接続された外部機器から入力された距離測定要求に基づいて行われる。例えば、本実施形態の超音波計測装置10は、電子機器や産業機器に組み込むことが可能であり、これらの電子機器や産業機器の制御部からの距離測定要求が入力されることで、送信パルスの生成を指令する。なお、超音波計測装置10に入力操作部を設けてもよく、ユーザーが入力操作部を操作して距離測定要求を入力してもよい。
The
ゲイン設定部354は、第一受信処理回路343から入力される受信信号の各ピークのピーク電圧に基づいて、可変ゲインアンプ341のゲインを設定する。この際、ゲイン設定部354は、可変ゲインアンプ341からコンパレーター342に出力される受信信号の信号波形に含まれる所定番目のピークが閾値電圧以上となるように、ゲインを設定する。
The
受信設定部355は、超音波の送信タイミングから、ゼロクロス点の検出タイミングまでの時間(ゼロクロス検出時間)を算出する。ここで、本実施形態では、受信信号は、振動部221の1波分の振動により出力される信号であり、振動部221が振動することで、複数のピークを含む受信信号が出力される。よって、マイコン35には、コンパレーター342から閾値電圧を超える各ピークのゼロクロス点に対するゼロクロス検出パルスが入力される。受信設定部355は、これらのゼロクロス検出パルスから、各ピークに対応したゼロクロス点のそれぞれに対するゼロクロス検出時間を算出する。
また、受信設定部355は、算出されたゼロクロス検出時間に基づいて、超音波の受信タイミングとするゼロクロス点(受信ゼロクロス点)を設定する。
The
Further, the
距離計測部356は、超音波の送信タイミングから、受信ゼロクロス点に対応したゼロクロス検出時間に基づいて、超音波デバイス20から対象物1までの距離を算出する。
The
[超音波計測方法]
次に、超音波計測装置10による超音波計測方法を含む距離測定処理について説明する。
図4は、本実施形態の距離測定処理を示すフローチャートである。図5は、本実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャートである。
なお、本実施形態で述べる超音波送受処理とは、所定波数分の超音波を送信し、その反射波を受信する処理である。本実施形態では、対象物1と超音波デバイス20との距離を計測するために、1回の超音波送受処理を実施すればよい。
また、本実施形態では、対象物1から超音波デバイス20までの距離が、所定速度で変動しており、超音波デバイス20から対象物1までの距離を計測する処理を複数回実施する例を示す。
[Ultrasonic measurement method]
Next, the distance measurement process including the ultrasonic measurement method by the
FIG. 4 is a flowchart showing the distance measurement process of the present embodiment. FIG. 5 is a timing chart of the transmission pulse, the reception signal, and the zero cross detection pulse in the ultrasonic transmission / reception processing of the present embodiment.
The ultrasonic wave transmission / reception process described in the present embodiment is a process of transmitting ultrasonic waves for a predetermined wave number and receiving the reflected waves. In the present embodiment, in order to measure the distance between the
Further, in the present embodiment, the distance from the
マイコン35は、例えば外部機器や入力操作部から距離測定要求が入力されることで、まず、測定回を示す変数mを初期化し、m=1を設定する(ステップS1)。
次に、マイコン35のゲイン設定部354は、ゲインGmを設定して可変ゲインアンプ341に出力する(ステップS2)。つまり、ステップS2では、可変ゲインアンプ341において、m=1の場合の初期ゲインG1が設定される。この初期ゲインG1は、メモリー351に予め記憶されており、ゲイン設定部354は、メモリー351から初期ゲインG1を読み込んで可変ゲインアンプ341に出力する。
When a distance measurement request is input from, for example, an external device or an input operation unit, the
Next, the
次に、送信指令部353は、スイッチング回路31を送信接続に切り替え、駆動パルス発生回路331に、送信パルスの生成指令を出力して、超音波デバイス20から対象物1に向かって超音波を送信させる(ステップS3)。
つまり、駆動パルス発生回路331は、生成指令に基づいて、超音波の発振周波数と同じパルス周波数の所定波数の送信パルスを生成して、送信駆動回路332に出力する。これにより、送信駆動回路332は、送信パルスの立ち上がりタイミングに同期して、各超音波トランスデューサー24に駆動電圧を印加する。
また、本実施形態では、駆動パルス発生回路331から送信パルスが送信されるタイミングを、送信タイミングとする。
Next, the
That is, the drive
Further, in the present embodiment, the timing at which the transmission pulse is transmitted from the drive
この後、マイコン35は、スイッチング回路31を受信接続に切り替える(ステップS4)。
ステップS4により受信接続に切り替えると、超音波デバイス20で超音波を受信した際に、超音波デバイス20から出力された受信信号が受信回路部34に入力される。この受信信号は、可変ゲインアンプ341により増幅された後、コンパレーター342及び第一受信処理回路343に入力される。
コンパレーター342は、受信信号に含まれる各ピークのうち、閾値電圧Vth以上の信号電圧のピークのゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点の検出タイミングでマイコン35にゼロクロス検出パルスを出力する。
また、第一受信処理回路343は、超音波の周期よりも十分に短い周期で入力された受信信号をサンプリングし、受信信号の信号波形を形成するとともに、各ピークのピーク電圧を測定して、マイコン35に出力する。
マイコン35は、受信回路部34から出力される、ゼロクロス検出パルス、受信信号の信号波形、及び各ピークのピーク電圧を含む受信結果を受信する(ステップS5)。
After that, the
When the reception connection is switched in step S4, the reception signal output from the
The comparator 342 detects the zero cross point of the peak of the signal voltage equal to or higher than the threshold voltage Vth among the peaks included in the received signal, and outputs the zero cross detection pulse to the
Further, the first
The
次に、ゲイン設定部354は、ステップS5で受信した各ピークのピーク電圧のうちの最大値(最大信号電圧VHm)を検出する(ステップS6)。
そして、ゲイン設定部354は、m−1回目の測定における最大信号電圧VHm−1を基準電圧とし、VHm=VHm−1であるか否かを判定する(ステップS7)。なお、m=1の場合、予め設定された初期基準電圧VH0をメモリー351に記憶しておき、VH1=VH0であるか否かを判定する。
Next, the gain setting unit 354 detects the maximum value (maximum signal voltage VH m ) of the peak voltage of each peak received in step S5 (step S6).
Then, the
ステップS7でNOと判定される場合、受信設定部355による受信ゼロクロス点の設定は行われず、ステップS8のゲイン設定ステップに進む。すなわち、ゲイン設定部354は、m−1回目の超音波送受処理において設定されていたゲインGm−1を基準ゲインとし、可変ゲインアンプ341のゲインGmを、Gm=(VHm−1/VHm)×Gm−1により算出する。そして、ゲイン設定部354は、新たなゲインGmを可変ゲインアンプ341に出力する。これにより、可変ゲインアンプ341のゲインがGm−1からGmに変更される。この後、ステップS3に戻り、新たに設定されたゲインGmを用いて、超音波送受処理を実施する。
If NO is determined in step S7, the reception zero cross point is not set by the
ここで、図5に基づいて、本実施形態における閾値の設定方法についてより詳細に説明する。
図5に示す例では、超音波の発振周波数と同じパルス周波数の5波の送信パルスが駆動パルス発生回路331から送信駆動回路332に入力される。よって、送信駆動回路332は、当該パルス周波数の周期駆動電圧を5波分だけ超音波デバイス20に入力する。このため、振動部221は、5波分だけ圧電素子23の駆動によって振動し、その後、振動部221の弾性に応じて減衰振動する。減衰振動時の振動周波数は、超音波トランスデューサー24の共振周波数であるが、本実施形態では、送信パルスの周波数は、超音波トランスデューサー24の共振周波数と同じ周波数である。
Here, the method of setting the threshold value in the present embodiment will be described in more detail based on FIG.
In the example shown in FIG. 5, five transmission pulses having the same pulse frequency as the ultrasonic oscillation frequency are input from the drive
一方、超音波デバイス20から送信された超音波が対象物1で反射され、超音波トランスデューサー24で超音波が受信されると、振動部221が変位し、その後、振動部221の弾性に応じて共振振動し、残響成分となる。本実施形態では、対象物1により反射された5波分の超音波は、超音波の発振周波数と同じパルス周波数で受信される。このため、反射超音波の受信による振動部221の振動と残響成分の振動との位相が一致し、図5に示すように、受信信号の各ピークのピーク電圧が漸増する。そして、対象物1により反射された最後の超音波が超音波デバイス20で受信された後は、振動部221が減衰振動することで、受信信号の各ピークのピーク電圧が漸減する。よって、複数の受信信号を時系列に沿って観察すると、最大信号電圧VHmのピークの受信タイミングを境にして、前半のピークのピーク電圧と、後半のピークのピーク電圧とが略対称となる。
On the other hand, when the ultrasonic wave transmitted from the
ところで、図5に示す例では、m回目の測定時において、m−1回目の測定時に比べて、対象物1と超音波デバイス20との距離が増大している。この場合、図5に示すように、超音波デバイス20で反射超音波が受信されるまでの時間が、距離に応じた時間だけ増大し、受信信号の信号電圧も低下する。
しかしながら、対象物1と超音波デバイス20との距離によらず、受信信号の信号波形は略同じ形状となる。つまり、最大信号電圧VHmのピークの受信タイミングを境にして、前半のピークのピーク電圧と、後半のピークのピーク電圧とが略対称となる。
したがって、上記のように、可変ゲインアンプ341に設定するゲインGmを、Gm=(VHm−1/VHm)×Gm−1として増幅すれば、対象物1と超音波デバイス20との距離が変動しても、常に、略同一形状の信号波形の受信信号が得られ、最大信号電圧VHmも一定値、つまり、メモリー351に記録された初期基準電圧VH0となるように制御されることになる。この場合、受信信号の信号波形における所定番目のピーク(本実施形態では、2番目のピーク)が、常に閾値電圧Vthを超えるピークとなり、この2番目のピークのゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定することができる。
By the way, in the example shown in FIG. 5, the distance between the
However, the signal waveform of the received signal has substantially the same shape regardless of the distance between the
Therefore, as described above, if the gain G m set in the
一方、ステップS7でYESと判定される場合、受信設定部355は、予め設定された位置のゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定する(ステップS9:ゼロクロス検出ステップ)。例えば、本実施形態では、図5に示すように、最初に入力されたゼロクロス検出パルスに対応したゼロクロス点を、受信ゼロクロス点として設定する。また、受信設定部355は、超音波の送信タイミングから、設定した受信ゼロクロス点の検出タイミングまでの時間であるゼロクロス検出時間tdを算出する。
この後、距離計測部356は、ゼロクロス検出時間tdと、音速と、に基づいて、超音波デバイス20から対象物1までの距離を算出する(ステップS10)。
また、ゲイン設定部354は、再測定時に得られた最大信号電圧VHmを基準電圧としてメモリー351に記録するとともに、再測定時のゲインGmを基準ゲインとしてメモリー351に記録する。
On the other hand, if YES is determined in step S7, the
After that, the
Further, the gain setting unit 354 records the maximum signal voltage VH m obtained at the time of remeasurement as a reference voltage in the
以上の後、マイコン35は、変数mに1を加算し(ステップS11)、例えば、測定を終了するか否かを判定する(ステップS12)。ステップS12では、マイコン35は、例えば、測定者による入力操作により、測定を終了する旨の操作信号が入力された場合、又は、測定回数(変数m)が予め設定された回数となった場合に、測定を終了すると判定する。
ステップS12においてNOと判定される場合、つまり、測定を継続する場合は、ステップS3に戻る。これにより、超音波計測装置10は、超音波デバイス20と対象物1との距離計測を再び開始する。
After the above, the
If NO is determined in step S12, that is, if the measurement is to be continued, the process returns to step S3. As a result, the
[本実施形態の作用効果]
本実施形態の超音波計測装置10は、超音波デバイス20と、制御回路30とを備える。超音波デバイス20は、送信パルスに基づいて対象物1に対して超音波を送信し、対象物1で反射された反射超音波を受信する超音波送受処理を実施し、超音波の受信により複数のピークを含む信号波形の受信信号を出力する。制御回路30は、超音波デバイス20から出力される受信信号を増幅する可変ゲインアンプ341と、可変ゲインアンプ341から出力される受信信号のゼロクロス点を検出するコンパレーター342と、マイコン35とを備える。そして、マイコン35は、ゲイン設定部354として機能し、可変ゲインアンプ341から出力される受信信号の波形に含まれる所定番目のピークが閾値電圧Vth以上となるように、可変ゲインアンプ341のゲインを設定する。
つまり、超音波計測装置10は、ステップS9のゼロクロス検出ステップで、受信タイミングとして設定する受信ゼロクロス点を検出する際に、受信信号に含まれる複数のピークのうちの所定番目のピークが閾値電圧Vth以上となるように、ゲイン設定ステップを実施する。
[Action and effect of this embodiment]
The
That is, when the
これにより、測定毎に対象物1と超音波デバイス20との距離が変動して、受信信号の信号電圧が増減しても、常に、所定番目のピークを検出することが可能となり、受信ゼロクロス点の位置が変動することがない。よって、オフセット誤差が発生する不都合を抑制でき、精度の高い距離計測を行うことができる。
また、対象物1と超音波デバイス20との距離が変動した際に、2回の超音波送受処理を実施すればよく、3回以上の超音波送受処理を実施する必要がないので、大容量の記憶容量を有するメモリー351が不要となる。よって、本実施形態では、超音波計測装置10の構成を簡素化でき、距離計測処理に係る処理時間も短縮することができる。
As a result, even if the distance between the
Further, when the distance between the
本実施形態では、受信回路部34は、可変ゲインアンプ341から出力される受信信号に含まれる複数のピークの信号電圧を測定する第一受信処理回路343を備える。そして、マイコン35のゲイン設定部354は、複数のピークに対するピーク電圧のうちの最大信号電圧VHmを検出し、この最大信号電圧VHmが、基準電圧であるm−1回目の最大信号電圧VHm−1と異なる場合に、基準ゲインであるm−1回目のゲインGm−1に対してVHm−1/VHm倍となるゲインGmを設定する。
これにより、測定毎に対象物1と超音波デバイス20との距離が変動して、受信信号の信号電圧が増減しても、受信信号の最大信号電圧VHmが、初期基準電圧VH0となるように、可変ゲインアンプ341のゲインが調整されることになる。したがって、受信信号における所定番目のピークが、常に、閾値電圧Vthを超えるピーク電圧となり、受信ゼロクロス点を適正に設定することができる。
In the present embodiment, the
As a result, even if the distance between the
[第二実施形態]
次に、第二実施形態について説明する。
第一実施形態の超音波計測装置10は、m−1回目の超音波送受処理において測定された最大信号電圧に基づいて、m回目の超音波送受処理を実施する際の可変ゲインアンプ341のゲインを設定した。これに対して、第二実施形態は、受信信号の包絡線に基づいてゲイン設定を行う点で、上記第一実施形態と相違する。
図6は、第二実施形態の超音波計測装置10Aの概略構成を示す模式図である。
なお、既に説明した構成については同符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment will be described.
The
FIG. 6 is a schematic view showing a schematic configuration of the
The configurations already described are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
本実施形態の超音波計測装置10Aは、超音波デバイス20と、制御回路30Aとを備える。超音波デバイス20は、第一実施形態と同様の構成を有するため、ここでの説明は省略する。
制御回路30Aは、図6に示すように、スイッチング回路31、シグナルグラウンド32、送信回路部33、受信回路部34A、及びマイコン35Aを備えている。また、本実施形態では、受信回路部34Aは、可変ゲインアンプ341と、コンパレーター342と、第二受信処理回路343Aとを含む。
第二受信処理回路343Aは、可変ゲインアンプ341からの受信信号が入力される。この第二受信処理回路343Aには、包絡線成形回路及び第二コンパレーターが含まれる。このような第二受信処理回路343Aでは、包絡線成形回路が、入力された受信信号の包絡線波形を形成する。そして、第二コンパレーターが、マイコン35Aから入力される閾値電圧Vthに基づいて、形成された包絡線のうち、信号電圧が閾値電圧Vthを超える期間の時間幅を検出する。つまり、本実施形態において、第二受信処理回路343Aは、包絡線処理部として機能する。また、第二受信処理回路343Aは、包絡線において閾値電圧Vthを超える期間の時間幅をマイコン35Aに出力する。
The
As shown in FIG. 6, the
The second
また、本実施形態のマイコン35Aのプロセッサー352は、メモリー351に記録されたプログラムの命令セットを実行することで、送信指令部353、第二ゲイン設定部354A、受信設定部355、及び距離計測部356として機能する。
第二ゲイン設定部354Aは、第二受信処理回路343Aから入力される時間幅に基づいて、可変ゲインアンプ341のゲインを設定する。この際、第二ゲイン設定部354Aは、可変ゲインアンプ341からコンパレーター342に出力される受信信号の信号波形に含まれる所定番目のピークが閾値電圧Vth以上となるように、ゲインを設定する。
Further, the
The second
次に、本実施形態の超音波計測装置10Aでの超音波計測方法について説明する。図7は、本実施形態の距離測定処理を示すフローチャートである。図8は、本実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、ゼロクロス検出パルス、包絡線、及び時間幅のタイミングチャートである。
本実施形態では、第一実施形態と同様、ステップS1からステップS4の処理を実施する。これにより、ステップS5Aにおいて、マイコン35Aは、受信結果として、ゼロクロス検出パルスと、包絡線において閾値電圧Vthを超える期間の時間幅TWmとを受信する。
この後、第二ゲイン設定部354Aは、m−1回目の測定における時間幅TWm−1を基準時間幅とし、TWm=TWm−1であるか否かを判定する(ステップS7A)。なお、m=1の場合、予め設定された初期時間幅TW0をメモリー351に記憶しておき、TW1=TW0であるか否かを判定する。
Next, the ultrasonic measurement method using the
In the present embodiment, the processes of steps S1 to S4 are carried out as in the first embodiment. As a result, in step S5A, the
After that, the second
ステップS7AでNOと判定される場合、第二ゲイン設定部354Aは、メモリー351に予め記憶されている、第一検量線データを読み込む。図9は、第一検量線データの一例を示す図である。この第一検量線データは、図9に示すように、包絡線において信号電圧が閾値電圧Vthを超える期間の時間幅と、可変ゲインアンプ341に設定するゲインとの関係を示すデータである。例えば、第一検量線データは、時間幅TWが所定の基準時間幅(初期時間幅TW0)である場合に、可変ゲインアンプ341のゲインを、基準ゲインG0に設定する旨が記録され、時間幅TWが小さくなるにしたがって、ゲインを増大させる旨のデータを記録する。
そして、第二ゲイン設定部354Aは、この第一検量線データからステップS5Aで受信した時間幅TWmに対応するゲインGmを読み出し、可変ゲインアンプ341に出力する(ステップS8A)。
この後、第一実施形態と同様、ステップS3に戻り、再測定を実施する。また、第二ゲイン設定部354Aは、再測定時に得られた時間幅TWmを基準時間幅としてメモリー351に記録する。
If NO is determined in step S7A, the second
Then, the second
After that, the process returns to step S3 and remeasurement is performed as in the first embodiment. Further, the second
ここで、図8に基づいて、本実施形態における閾値の設定方法についてより詳細に説明する。
図8に示す例では、m回目の測定時において、m−1回目の測定時に比べて、対象物1と超音波デバイス20との距離が増大している。
この場合、図8に示すように、超音波デバイス20で反射超音波が受信されるまでの時間が、距離に応じた時間だけ増大し、受信信号の信号電圧も低下する。このため、受信信号の包絡線波形において、閾値電圧Vthを超える時間幅TWmも短くなり、閾値電圧Vthを超えるピークの数も減少する。
これに対して、可変ゲインアンプ341に設定するゲインGmを、第一検量線データに基づいて、Gm=G0×pとする。これにより、対象物1と超音波デバイス20との距離が変動しても、常に、包絡線波形において、閾値電圧Vthを超える時間幅TWmが一定値に制御されることになる。つまり、閾値電圧Vthを超えるピークの数が常に一定となる。この場合、受信信号の信号波形における所定番目(例えば、2番目)のピークが、常に閾値電圧Vthを超えるピークとなり、この2番目のピークのゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定することができる。
なお、その他の処理に関しては、第一実施形態と同様である。
Here, the method of setting the threshold value in the present embodiment will be described in more detail based on FIG.
In the example shown in FIG. 8, the distance between the
In this case, as shown in FIG. 8, the time until the reflected ultrasonic wave is received by the
On the other hand, the gain G m set in the
The other processes are the same as those in the first embodiment.
[第二実施形態の作用効果]
本実施形態の超音波計測装置10Aでは、受信回路部34Aは、可変ゲインアンプ341から出力される受信信号の包絡線を形成し、包絡線で前記閾値電圧Vth以上となる期間の時間幅を検出する包絡線処理部を備える。そして、マイコン35Aは、第二ゲイン設定部354Aとして機能し、第一検量線データに基づいて、第二受信処理回路343Aで検出された時間幅TWmに対するゲインGmを読み込んで、可変ゲインアンプ341のゲインとして設定する。
このような本実施形態でも、第一実施形態と同様の効果を奏することができる。
また、測定毎に対象物1と超音波デバイス20との距離が変動しても、常に、包絡線において閾値電圧Vthを超える期間の時間幅が一定となる。このため、受信信号に含まれる所定番目のピークも、常に、閾値電圧Vthを超えるように制御され、受信ゼロクロス点の位置が変動することがない。よって、オフセット誤差が発生する不都合を抑制でき、精度の高い距離計測を行うことができる。
[Action and effect of the second embodiment]
In the
Even in such an embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
Further, even if the distance between the
[第三実施形態]
次に、第三実施形態について説明する。
第三実施形態は、閾値電圧Vthを超えるピークの数に基づいてゲイン設定を行う点で、上記第一実施形態や第二実施形態と相違する。
図10は、第三実施形態の超音波計測装置10Bの概略構成を示す模式図である。
[Third Embodiment]
Next, the third embodiment will be described.
The third embodiment is different from the first embodiment and the second embodiment in that the gain is set based on the number of peaks exceeding the threshold voltage Vth.
FIG. 10 is a schematic view showing a schematic configuration of the
本実施形態の超音波計測装置10Bは、超音波デバイス20と、制御回路30Bとを備える。
制御回路30Bは、図10に示すように、スイッチング回路31、シグナルグラウンド32、送信回路部33、受信回路部34B、及びマイコン35Bを備えている。また、本実施形態では、受信回路部34Bは、可変ゲインアンプ341と、コンパレーター342とにより構成されている。
The
As shown in FIG. 10, the
また、本実施形態のマイコン35Bのプロセッサー352は、メモリー351に記録されたプログラムの命令セットを実行することで、送信指令部353、第三ゲイン設定部354B、受信設定部355、及び距離計測部356として機能する。
第三ゲイン設定部354Bは、コンパレーター342から出力されるゼロクロス検出パルスの数、つまり、受信信号に含まれる、閾値電圧Vthを超えるピークの数に基づいて、可変ゲインアンプ341のゲインを設定する。この際、第三ゲイン設定部354Bは、可変ゲインアンプ341からコンパレーター342に出力される受信信号の信号波形に含まれる所定番目のピークが閾値電圧Vth以上となるように、ゲインを設定する。
Further, the
The third
次に、本実施形態の超音波計測装置10Bでの超音波計測方法について説明する。図11は、本実施形態の距離測定処理を示すフローチャートである。図12は、本実施形態の超音波送受処理での送信パルス、受信信号、及びゼロクロス検出パルスのタイミングチャートである。
本実施形態では、第一実施形態と同様、ステップS1からステップS4の処理を実施する。これにより、ステップS5Bにおいて、マイコン35Aは、受信結果として、ゼロクロス検出パルスを受信する。
この後、第三ゲイン設定部354Bは、ステップS5Bで受信したゼロクロス検出パルスをカウント、つまり、閾値電圧Vthを超えるピークの数(ピーク数Sm)をカウントする(ステップS6B)。
さらに、第三ゲイン設定部354Bは、m−1回目にカウントされたピーク数Sm−1に対して、Sm=Sm−1であるか否かを判定する(ステップS7B)。なお、m=1の場合、予め設定された初期ピーク数S0をメモリー351に記憶しておき、S1=S0であるか否かを判定する。
Next, the ultrasonic measurement method using the
In the present embodiment, the processes of steps S1 to S4 are carried out as in the first embodiment. As a result, in step S5B, the
After that, the third
Further, the third
ステップS7BでNOと判定される場合、第三ゲイン設定部354Bは、メモリー351に予め記憶されている、第二検量線データを読み込む。図13は、第二検量線データの一例を示す図である。この第二検量線データは、図13に示すように、受信信号に含まれる信号電圧が閾値電圧Vthを超えるピークの数と、可変ゲインアンプ341に設定するゲインとの関係を示すデータである。例えば、第二検量線データは、ピークの数が6個の場合に、可変ゲインアンプ341のゲインを基準ゲインG0に設定する旨が記録され、ピークの数が小さくなるにしたがって、ゲインを増大させる旨のデータを記録する。
そして、第三ゲイン設定部354Bは、この第二検量線データからステップS5Bで受信したピーク数Smに対応するゲインGmを読み出し、可変ゲインアンプ341に出力する(ステップS8B)。
この後、第一実施形態と同様、ステップS3に戻り、再測定を実施する。また、第三ゲイン設定部354Bは、再測定時に得られたピーク数Smを基準ピーク数としてメモリー351に記録する。
If NO is determined in step S7B, the third
Then, the third
After that, the process returns to step S3 and remeasurement is performed as in the first embodiment. Further, the third
ここで、図12に基づいて、本実施形態における閾値の設定方法についてより詳細に説明する。
図12に示す例では、m回目の測定時において、m−1回目の測定時に比べて、対象物1と超音波デバイス20との距離が増大している。この場合、図12に示すように、超音波デバイス20で反射超音波が受信されるまでの時間が、距離に応じた時間だけ増大し、受信信号の信号電圧も低下する。このため、ピーク数が減少する。
これに対して、可変ゲインアンプ341に設定するゲインGmを、第二検量線データに基づいて、Gm=G0×pとする。これにより、対象物1と超音波デバイス20との距離が変動しても、常に、受信信号において、閾値電圧Vthを超えるピークの数が一定値に制御されることになる。この場合、受信信号の信号波形における所定番目(例えば、2番目)のピークが、常に閾値電圧Vthを超えるピークとなり、この2番目のピークのゼロクロス点を受信ゼロクロス点として設定することができる。
なお、その他の処理に関しては、第一実施形態と同様である。
Here, the method of setting the threshold value in the present embodiment will be described in more detail based on FIG.
In the example shown in FIG. 12, the distance between the
On the other hand, the gain G m set in the
The other processes are the same as those in the first embodiment.
[第三実施形態の作用効果]
本実施形態の超音波計測装置10Bでは、マイコン35Bは、第三ゲイン設定部354Bとして機能し、コンパレーター342から出力されるゼロクロス検出パルスに基づいてピーク数Smを検出する。そして、第三ゲイン設定部354Bは、第二検量線データから、ピーク数Smに対するゲインGmを読み込んで、可変ゲインアンプ341のゲインとして設定する。
このような本実施形態でも、第一実施形態及び第二実施形態と同様の効果を奏することができる。
また、測定毎に対象物1と超音波デバイス20との距離が変動しても、常に、受信信号に含まれる閾値電圧Vth以上のピークの数が一定となる。このため、受信信号に含まれる所定番目のピークも、常に、閾値電圧Vthを超えるように制御され、受信ゼロクロス点の位置が変動することがない。よって、オフセット誤差が発生する不都合を抑制でき、精度の高い距離計測を行うことができる。
また、本実施形態では、マイコン35Bによって、ゼロクロス検出パルスをカウントすればよいので、第一受信処理回路343や第二受信処理回路343Aを必要とせず、制御回路30Bの構成の簡素化を図ることができる。
[Action and effect of the third embodiment]
In the
Even in such an embodiment, the same effects as those in the first embodiment and the second embodiment can be obtained.
Further, even if the distance between the
Further, in the present embodiment, since the zero cross detection pulse may be counted by the
[変形例]
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
[Modification example]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention includes configurations obtained by modifying, improving, and appropriately combining the respective embodiments within the range in which the object of the present invention can be achieved. It is a thing.
[変形例1]
第一実施形態では、ステップS7において、VHm=VHm−1であるか否かを判定したが、これに限定されない。|VHm−VHm−1|が予め設定された所定のマージン以下であるか否かを判定してもよい。また、VHm/VHm−1が1を中心とした所定の許容範囲内であるか否かを判定してもよい。すなわち、第一実施形態において、m回目の最大信号電圧VHmと、基準電圧であるm−1回目の最大信号電圧VHm−1とが厳密に一致していなくてもよく、予め設定されたマージンや許容範囲内であれば、ステップS7でYesと判定されるようにしてもよい。
[Modification 1]
In the first embodiment, in step S7, it is determined whether or not VH m = VH m-1 , but the present invention is not limited to this. It may be determined whether or not | VH m −VH m-1 | is equal to or less than a predetermined margin set in advance. Further, it may be determined whether or not VH m / VH m-1 is within a predetermined allowable range centered on 1. That is, in the first embodiment, the m-th maximum signal voltage VH m and the reference voltage m-1st maximum signal voltage VH m-1 do not have to be exactly the same, and are set in advance. If it is within the margin or the allowable range, it may be determined as Yes in step S7.
第二実施形態においても同様であり、ステップS7Aで、TWm=TWm−1であるか否かを判定したが、これに限定されない。例えば、第二ゲイン設定部354Aは、|TWm−TWm−1|が予め設定された所定のマージン以下であるか否かを判定してもよく、TWm/TWm−1が1を中心とした所定の許容範囲内であるか否かを判定してもよい。
The same applies to the second embodiment, and in step S7A, it is determined whether or not TW m = TW m-1 , but the present invention is not limited to this. For example, the second
[変形例2]
第一実施形態では、ステップS7において、m回目の超音波送受処理で測定された最大信号電圧VHmと、m−1回目の超音波送受処理で測定された最大信号電圧VHm−1とを比較した。つまり、m−1回目の最大信号電圧VHm−1を基準電圧としている。これに対して、最大信号電圧VHmと、基準電圧をメモリー351に予め記録されている初期基準電圧VH0とを比較し、ゲインGmを、Gm=(VH0/VHm)×G0により算出してもよい。
第二実施形態においても同様であり、ステップS7Aにおいて、m回目の超音波送受処理で測定された時間幅TWmと、m−1回目の超音波送受処理で測定された時間幅TWm−1とを比較したが、時間幅TWmと、予めメモリー351に記録されている初期時間幅TW0を比較してもよい。同様に第三実施形態においても、ステップS7Bにおいて、ピーク数Smと、予めメモリー351に記録されている初期ピーク数S0を比較してもよい。
[Modification 2]
In the first embodiment, in step S7, the maximum signal voltage VH m measured in the m-th ultrasonic transmission / reception process and the maximum signal voltage VH m-1 measured in the m-1th ultrasonic transmission / reception process are combined. Compared. That is, the maximum signal voltage VH m-1 at the m-1st time is used as the reference voltage. On the other hand, the maximum signal voltage VH m is compared with the initial reference voltage VH 0 in which the reference voltage is recorded in the
The same applies to the second embodiment, and in step S7A, the time width TW m measured in the m-th ultrasonic transmission / reception process and the time width TW m-1 measured in the m-1th ultrasonic wave transmission / reception process. However, the time width TW m may be compared with the initial time width TW 0 previously recorded in the
[変形例3]
第一実施形態において、ゲイン設定部354は、ゲインGmを、Gm=(VH0/VHm)×G0により算出しているが、これに限定されない。例えば、第二実施形態や第三実施形態と同様に、最大信号電圧VHと、ゲインGとの関係を示す関係データを予めメモリー351に記憶しておいてもよい。この場合、最大信号電圧VHmが検出されると、その最大信号電圧VHmに対応するゲインを関係データから読み出すだけでよく、処理の高速化を図れる。
[Modification 3]
In the first embodiment, the
[変形例4]
第三実施形態では、第三ゲイン設定部354Bが、ピーク数とゲインとの関係を示した第二検量線データに基づいて、ピーク数に対応するゲインを読み出す例を示した。これに対して、第二検量線データとして、複数の受信信号が連続して閾値電圧以上となる期間の時間幅と、ゲインとの関係を示す検量線データを用いてもよい。
つまり、受信信号は、超音波の周波数と同じ周波数で出力されるので、ピーク数に対して超音波の周期を積算したものが、複数の受信信号が連続して閾値電圧以上となる期間の時間幅となる。言い換えると、複数の受信信号が連続して閾値電圧以上となる期間の時間幅と、ピーク数とは比例関係にある。したがって、第三ゲイン設定部354Bは、検出したピーク数に基づいて、複数の受信信号が連続して閾値電圧以上となる期間の時間幅を算出し、当該時間幅に対応するゲインを上記の第二検量線データに基づいて読み出すことで、上記第三実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
[Modification example 4]
In the third embodiment, an example is shown in which the third
That is, since the received signal is output at the same frequency as the ultrasonic frequency, the time during which a plurality of received signals continuously exceed the threshold voltage by integrating the ultrasonic period with respect to the number of peaks. It becomes the width. In other words, the time width of the period during which the plurality of received signals continuously exceed the threshold voltage and the number of peaks are in a proportional relationship. Therefore, the third
[変形例5]
上述の各実施形態では、対象物1から超音波デバイス20までの距離が変動することで、受信信号の信号電圧が低下する例を示しているが、これに限定されない。例えば、反射体の材質により受信信号の信号電圧が変化する場合に、上述の各実施形態に示した方法で、適切なゲインを設定するキャリブレーションを行ってもよい。この場合、様々な材質の反射体であっても、受信信号の信号電圧が、基準の電圧レベルになるようにゲインを設定することができる。
[Modification 5]
In each of the above-described embodiments, an example is shown in which the signal voltage of the received signal decreases due to the fluctuation of the distance from the
[変形例6]
上記各実施形態で説明した超音波計測装置10,10A,10Bは、対象物1までの距離を計測する単体の計測センサーとして用いてもよく、各種電子機器や産業機器などに組み込んで用いてもよい。
例えば、インクジェットプリンター等の印刷装置に、超音波計測装置10,10A,10Bを組み込んでもよい。この場合、印刷媒体に対してインクを吐出するインクヘッドが搭載されるキャリッジに、超音波計測装置10,10A,10Bを搭載し、キャリッジと印刷媒体との間の距離を測定してもよい。あるいは、インクタンクに、超音波計測装置10,10A,10Bを設け、インクタンク内の液面の位置を計測してもよい。
また、ロボットアーム等の産業機器において、対象物を把持するアームに超音波計測装置10,10A,10Bを組み込み、アームから対象物までの距離を計測してもよい。
[Modification 6]
The
For example, the
Further, in an industrial device such as a robot arm,
1…対象物、10,10A,10B…超音波計測装置、20…超音波デバイス(超音波送信部、超音波受信部)、30,30A,30B…制御回路、31…スイッチング回路、32…シグナルグラウンド、33…送信回路部、34,34A,34B…受信回路部、35,35A,35B…マイコン、251…第一端子、252…第二端子、331…駆動パルス発生回路、332…送信駆動回路、341…可変ゲインアンプ、342…コンパレーター、343…第一受信処理回路、343A…第二受信処理回路、351…メモリー、352…プロセッサー、353…送信指令部、354…ゲイン設定部、354A…第二ゲイン設定部、354B…第三ゲイン設定部、355…受信設定部、356…距離計測部、TWm…時間幅、TWm−1…時間幅、VHm…最大信号電圧、VHm−1…最大信号電圧、Vth…閾値電圧、td…ゼロクロス検出時間。 1 ... Object, 10,10A, 10B ... Ultrasonic measuring device, 20 ... Ultrasonic device (ultrasonic transmitter, ultrasonic receiver), 30,30A, 30B ... Control circuit, 31 ... Switching circuit, 32 ... Signal Ground, 33 ... Transmission circuit unit, 34, 34A, 34B ... Reception circuit unit, 35, 35A, 35B ... Microcomputer, 251 ... First terminal, 252 ... Second terminal, 331 ... Drive pulse generation circuit, 332 ... Transmission drive circuit , 341 ... Variable gain amplifier, 342 ... Comparator, 343 ... First reception processing circuit, 343A ... Second reception processing circuit, 351 ... Memory, 352 ... Processor, 353 ... Transmission command unit, 354 ... Gain setting unit, 354A ... Second gain setting unit, 354B ... Third gain setting unit, 355 ... Reception setting unit, 356 ... Distance measurement unit, TW m ... Time width, TW m-1 ... Time width, VH m ... Maximum signal voltage, VH m- 1 ... Maximum signal voltage, V th ... Threshold voltage, td ... Zero cross detection time.
Claims (8)
前記可変ゲインアンプのゲインを設定するゲイン設定ステップを実施し、
前記ゲイン設定ステップは、前記可変ゲインアンプから出力される前記受信信号の前記信号波形に含まれる所定番目のピークが閾値電圧以上となるように、または、前記閾値電圧以上のピークから得られる包絡線の時間幅が所定の時間幅となるように、前記可変ゲインアンプのゲインを設定する
ことを特徴とする超音波計測方法。 An ultrasonic transmitter that transmits ultrasonic waves to an object, an ultrasonic receiver that receives ultrasonic waves reflected by the object and outputs a reception signal of a signal waveform including a plurality of peaks, and the received signal. It is an ultrasonic measurement method of an ultrasonic measuring device equipped with a variable gain amplifier for amplification.
A gain setting step for setting the gain of the variable gain amplifier is performed.
The gain setting step is an envelope obtained so that a predetermined first peak included in the signal waveform of the received signal output from the variable gain amplifier is equal to or higher than the threshold voltage, or is obtained from a peak having the threshold voltage or higher. An ultrasonic measurement method characterized in that the gain of the variable gain amplifier is set so that the time width of is set to a predetermined time width.
前記ゲイン設定ステップは、前記受信信号に含まれる複数の前記ピークの信号電圧のうちの最大信号電圧を検出し、前記最大信号電圧が、所定の基準電圧と異なる場合に、基準ゲインに対して(基準電圧/最大信号電圧)倍となる前記ゲインを設定する
ことを特徴とする超音波計測方法。 In the ultrasonic measurement method according to claim 1,
The gain setting step detects the maximum signal voltage among the plurality of signal voltages of the peaks included in the received signal, and when the maximum signal voltage is different from a predetermined reference voltage, the gain setting step ( An ultrasonic measurement method characterized in that the gain is set to be doubled (reference voltage / maximum signal voltage).
前記ゲイン設定ステップは、前記包絡線を形成し、前記包絡線の信号電圧が前記閾値電圧以上となる期間の時間幅を検出し、前記時間幅と前記ゲインとの関係を示す第一検量線データに基づいて、検出された前記時間幅に対する前記ゲインを設定する
ことを特徴とする超音波計測方法。 In the ultrasonic measurement method according to claim 1,
The gain setting step forms the envelope, detects the time width of the period during which the signal voltage of the envelope is equal to or higher than the threshold voltage, and the first calibration line data showing the relationship between the time width and the gain. A method for measuring an ultrasonic wave, which comprises setting the gain with respect to the detected time width based on the above.
前記ゲイン設定ステップは、前記受信信号に含まれる前記閾値電圧以上の前記ピークの数を計測し、前記閾値電圧以上の前記ピークの数と前記ゲインとの関係、または、前記ピークの数から得られる複数の前記受信信号が連続して前記閾値電圧以上となる期間の時間幅と前記ゲインとの関係を示す第二検量線データに基づいて、計測された前記ピークの数に対する前記ゲインを設定する
ことを特徴とする超音波計測方法。 In the ultrasonic measurement method according to claim 1,
The gain setting step measures the number of the peaks above the threshold voltage included in the received signal, and is obtained from the relationship between the number of peaks above the threshold voltage and the gain, or the number of peaks. To set the gain with respect to the number of measured peaks based on the second calibration line data showing the relationship between the gain and the time width of the period during which the plurality of received signals continuously exceed the threshold voltage. An ultrasonic measurement method characterized by.
前記対象物により反射された超音波を受信して複数のピークを含む信号波形の受信信号を出力する超音波受信部と、
前記受信信号を増幅する可変ゲインアンプと、
前記可変ゲインアンプから出力される前記受信信号の信号波形に含まれる所定番目のピークが閾値電圧以上となるように、または、前記閾値電圧以上のピークから得られる包絡線の時間幅が所定の時間幅となるように、前記可変ゲインアンプのゲインを設定する制御部と、
を備えることを特徴とする超音波計測装置。 An ultrasonic transmitter that transmits ultrasonic waves to an object,
An ultrasonic receiver that receives ultrasonic waves reflected by the object and outputs a received signal of a signal waveform including a plurality of peaks.
A variable gain amplifier that amplifies the received signal and
The time width of the envelope obtained so that the predetermined first peak included in the signal waveform of the received signal output from the variable gain amplifier is equal to or higher than the threshold voltage or the peak obtained from the peak equal to or higher than the threshold voltage is a predetermined time. A control unit that sets the gain of the variable gain amplifier so that it has a width, and
An ultrasonic measuring device characterized by being provided with.
前記可変ゲインアンプから出力される前記受信信号に含まれる複数の前記ピークの信号電圧を測定する電圧測定部を備え、
前記制御部は、前記電圧測定部により測定された複数の前記ピークの信号電圧のうちの最大信号電圧を検出し、前記最大信号電圧が、所定の基準電圧と異なる場合に、基準ゲインに対して(基準電圧/最大信号電圧)倍となる前記ゲインを設定する
ことを特徴とする超音波計測装置。 In the ultrasonic measuring apparatus according to claim 5,
A voltage measuring unit for measuring the signal voltages of a plurality of the peaks included in the received signal output from the variable gain amplifier is provided.
The control unit detects the maximum signal voltage among the plurality of signal voltages of the peaks measured by the voltage measuring unit, and when the maximum signal voltage is different from a predetermined reference voltage, the control unit refers to the reference gain. An ultrasonic measuring device characterized in that the gain is set to be doubled (reference voltage / maximum signal voltage).
前記可変ゲインアンプから出力される前記包絡線を形成し、前記包絡線の信号電圧が前記閾値電圧以上となる期間の時間幅を検出する包絡線処理部を備え、
前記制御部は、前記時間幅と前記ゲインとの関係を示す第一検量線データに基づいて、前記包絡線処理部で検出された前記時間幅に対する前記ゲインを設定する
ことを特徴とする超音波計測装置。 In the ultrasonic measuring apparatus according to claim 5,
It is provided with an envelope processing unit that forms the envelope output from the variable gain amplifier and detects the time width of the period during which the signal voltage of the envelope becomes equal to or higher than the threshold voltage.
The control unit sets the gain for the time width detected by the envelope processing unit based on the first calibration curve data showing the relationship between the time width and the gain. Measuring device.
前記可変ゲインアンプから出力される前記受信信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部をさらに備え、
前記ゼロクロス検出部は、前記受信信号の波形に含まれる前記閾値電圧以上の前記ピークに対してゼロクロス検出パルスを出力し、
前記制御部は、前記ゼロクロス検出部から出力される前記ゼロクロス検出パルスに基づいて、前記受信信号に含まれる前記閾値電圧以上の前記ピークの数を計測し、前記閾値電圧以上の前記ピークの数と前記ゲインとの関係、または、前記ピークの数から得られる複数の前記受信信号が連続して前記閾値電圧以上となる期間の時間幅と前記ゲインとの関係を示す第二検量線データに基づいて、計測された前記ピークの数に対する前記ゲインを設定する
ことを特徴とする超音波計測装置。 In the ultrasonic measuring apparatus according to claim 5,
Further, a zero cross detection unit for detecting a zero cross point of the received signal output from the variable gain amplifier is provided.
The zero-cross detection unit outputs a zero-cross detection pulse for the peak having a threshold voltage or higher included in the waveform of the received signal.
Based on the zero-cross detection pulse output from the zero-cross detection unit, the control unit measures the number of the peaks above the threshold voltage included in the received signal, and sets the number of peaks above the threshold voltage. Based on the relationship with the gain or the second calibration line data showing the relationship between the gain and the time width of the period during which the plurality of received signals obtained from the number of peaks continuously exceed the threshold voltage. , An ultrasonic measuring device, characterized in that the gain is set with respect to the number of measured peaks.
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