JPH0452694Y2

JPH0452694Y2 -

Info

Publication number: JPH0452694Y2
Application number: JP14179985U
Authority: JP
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1985-09-17
Publication date: 1992-12-10
Also published as: JPS6249774U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）本考案は限定された平面内又は立体空間内を移
動する移動体の位置を基準軸又は基準面からの最
短垂直距離を測定することによつて求める装置に
関するものである。

（従来の技術）例えば、海底に石油掘削塔を構築するような場
合、その前段階として模型の掘削塔を海底に設置
し、波力が掘削塔に及ぼす影響を解明するために
各種の基礎データが収集される。通常、移動体と
しての模型の掘削塔１（以下掘削模型塔１とい
う）は第５図に示すように、海底に設けられた平
面あるいは球面状（図においては球面状）の基礎
面２上に該基礎面２に沿つて移動自在に立設さ
れ、その四方はロープ３によつて支えられる。

そして掘削模型塔１の所望位置には超音波の送
波器４が固定され、一方、送波器４の近傍位置に
は図示されていない三角測量用の受波器が取付ア
ーム等を介して基礎面２に固定される。この受波
器は送波器４から発射される超音波を受け、三角
測量の原理を利用し、波力によつて変位する掘削
模型塔１の平面内又は立体空間内の移動位置を求
めるために設けられるものであるが、以下、説明
を簡単にする都合上、掘削模型塔（移動体）１に
固定された送波器４が平面内を移動する場合の装
置構成について説明する。

第４図には従来の超音波距離測定装置のブロツ
ク構成が示され、送波器４の移動平面内の基準線
Ｌ上には一定間隔lsへだてて一対の受波器５およ
び同６が設けられている。送波器４は送信制御部
７のトリガ信号によつて駆動され全方位に向けて
超音波を発射する。受波器５および同６はこの超
音波を受波して受波信号を対応する受信制御部８
および同９へ送る。受信制御部８および同９は信
号増幅等所要の処理を行つて受信信号を対応する
送受波時間差測定部１０および同１１へ送る。

この送受波時間差測定部１０および同１１は前
記送信制御部７から加えられるトリガ信号と受信
信号とを対比して超音波の発射時刻と受波時刻と
の時間差を測定し、その測定信号を演算部１２に
加える。演算部１２は送受波時間差測定部１０か
らの測定信号に基づいて送波器４と受波器５との
距離l₁を求め、同様に送受波時間差測定部１１か
らの測定信号に基づいて送波器４と受波器６との
距離l₂を求める。そして、l₁とl₂と既知のlsの値か
ら送波器４と基準線Ｌとの最短距離ｌが幾何学的
演算により求められる。

このようにして波力によつて変位する送波器４
の位置を求めることにより波力と掘削模型塔１の
変位との関連データが収集されるのである。

（考案が解決しようとする問題点）しかしながら、この種の従来の装置において
は、１つの基準線Ｌ又は基準面から送波器４まで
の距離ｌを求めるには必ず２系列の受信回路を必
要とし、装置構成が複雑化するという問題があ
り、また、距離ｌを三角測量の手法で演算する方
式であるため、演算が複雑となり、算出値ｌに誤
差が生じ易く、また、演算速度の高速化を図るこ
とができないという問題があつた。

本考案は上記従来の問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、装置構成の簡易
化を図り、かつ高精度の演算値を迅速に得ること
ができる超音波距離測定装置を提供することにあ
る。

（問題点を解決するための手段）本考案は上記目的を達成するために次のように
構成されている。すなわち、本考案は、複数の振
動子がその受波面の法線が同一方向を向き且つそ
の方向と直角をなす方向に直線状に配列された受
波器、又は複数の振動子がその受波面が同一平面
上に揃うように平面状に配列された受波器と；前
記直線状配列の受波器の各振動子の受波面の同一
点における法線を含む平面内を平面的に移動する
か又は前記面状配列の受波器の前方で立体的に移
動する移動体に設けられた送波器と；受波器から
の受波信号を受けてその受信信号中送波時点から
最も短い時間で受波された信号までの時間を測定
する送受波時間差測定部と；該測定時間に基づい
て、送波器から受波器に対する距離を垂直距離と
して算出する距離算出部と；を有することを特徴
とするものである。

（作用）上記構成からなる本考案において、平面内又は
立体空間内を移動体とともに移動する送波器は、
例えば一定周期で加えられるトリガ信号に駆動さ
れて超音波パルス信号を発射する。一方、送波器
から発射された一定方位範囲の超音波パルス信号
は直線状又は平面状に配置された受波器に受波さ
れ、この受波信号は所要の信号処理を経た後に受
信信号として送受波時間差測定部に加えられる。
送受波時間差測定部は受信信号を分析して送波時
点から最短時間で受波された受波信号（直線状配
列の受波器又は平面状配列の受波器に直角に入射
した超音波の信号）を検知し、さらに、この検知
信号とトリガ信号とを比較して超音波が送波器か
ら受波器に直角に入射するまでの伝搬時間を検出
測定する。

そして、検出測定された伝搬時間の情報は距離
算出部に加えられる。距離算出部はこの伝搬時間
の情報と既知の超音波伝搬速度との関係から送波
器と直線状受波器又は平面状受波器との最短距離
を算出する。

このようにして、移動体の移動位置は直線状受
波器又は平面状受波器からの垂直距離位置として
求められる。したがつて、例えば、直線状受波器
を二次元の直交座標位置に配置し、あるいは、直
線状受波器を三次元の直交座標面に配置すること
により、移動体の位置を座標上の位置として求め
ることも可能となるものである。

（実施例）以下、本考案の一実施例を図面に基づいて説明
する。第１図には本考案に係る一実施例のブロツ
ク構成が示されており、また、第２図には第１図
の構成をさらに詳細にしたブロツク図が示されて
いる。図において、送波器４は従来例と同様に、
移動体としての掘削模型塔１（図示せず）に固定
されており、限定された平面内あるいは立体空間
内を掘削模型塔１とともに移動する。なお、本実
施例では以下、説明を簡単にするために、送波器
４が平面内を移動する場合について説明する。

第１図において、送波器４の移動平面上の基準
軸としてのＹ軸上にはこのＹ軸線に沿つてアレイ
型受波器２２が配設されている。該アレイ型受波
器２２は振動子S₁（１＝１〜ｎ）を複数個アレイ
状に並べて直列と並列をおりまぜながら接続し、
インピーダンスマツチングしたものであり、これ
により、電気的に１個の振動子として扱えるよう
になつている。したがつて、送波器４から発射さ
れる超音波がいずれの振動子S₁に受波されても、
その受波信号を共通の出力端から取り出せるよう
になつている。このアレイ型受波器２２は送波器
４の移動位置を測定するための測定可能領域、す
なわち送波器４（移動体）の移動平面領域Ｐを限
定する。

上記のように配置された送波器４とアレイ型受
波器２２との超音波の送受およびこれに伴なう信
号処理は第１図に示すように、送受波制御部１３
と、送受波時間差測定部２３と、距離算出部２４
によつて行われる。第２図に示すように、前記送
受波制御部１３は送波制御部１４と受波制御部１
５とからなり、送波制御部１４は基準発振回路１
６と、分周回路１７と、トリガ回路１８と、送信
回路１９によつて構成され、また受波制御部１５
は受波増幅回路２０と、バンドパスフイルタ回路
２１により構成される。

前記基準発振回路１６は基準発振信号を発生さ
せ、この基準発振信号を分周回路１７に加える。
分周回路１７は基準発振信号を分周し分周信号を
トリガ回路１８に供給する。トリガ回路１８は分
周信号に同期して一定周期ごとにトリガ信号を発
生させ、このトリガ信号を送信回路１９に加え
る。送信回路１９はトリガ信号を受けて送波器４
に駆動パルスを加える。この駆動パルスを受けて
送波器４の励振駆動が行われ、送波器４は一定周
期ごとに超音波パルス信号を発射する。

アレイ型受波器２２はこの超音波パルス信号を
受け、受波信号（電気信号）を受波増幅回路２０
に加える。受波信号は受波増幅回路２０で増幅さ
れ、次にパンドパスフイルタ回路２１でノイズが
除去され送受波時間差測定部２３に入力する。

この送受波時間差測定部２３はゼロクロス検出
回路２５と、タイムゲート回路２６と、フリツプ
フロツプ回路２７と、Ｒ−Ｓフリツプフロツプ回
路２８とからなる。前記ゼロクロス検出回路２５
はパンドパスフイルタ回路２１から供給された信
号波形から上側波を検出して取り出す。

一般に、第１図および第２図に示すように、ア
レイ型受波器２２は所定方位範囲θの超音波信号
を受けるから、その受波信号の波形は第３図に示
すように時間軸Ｔに対して所定の幅をもち、その
幅内に複数のゼロクロス点が現われる。ゼロクロ
ス検出回路２５はこのような波形から受波信号の
上側波（波の山部）を検出してそれを取り出すの
である。この場合、微弱なラインノイズを上側波
として検出しないようにするため、ゼロポイント
レベルを若干プラス側に変位調整する手段が講じ
られている。このゼロクロス検出回路２５から出
力される上側波はタイムゲート回路２６を通つて
フリツプフロツプ回路２７に加えられる。

なお、前記タイムゲート回路２６はトリガ信号
を受けて一定時間、すなわち、前記上側波が通過
するに要する時間だけゲートを開き、それ以外の
時間はゲートを閉じて不用ノイズの通過を遮断す
るものである。フリツプフロツプ回路２７は上側
波の適当番目のパルス、本実施例では安定した２
波目のパルスm₂を複数の入射経路のうちで最端
経路ｌを通つてアレイ型受波器２２に入射した信
号であると決定し、この２波目のパルスm₂の立
上りでＲ−Ｓフリツプフロツプ回路２８にリセツ
ト信号を加える。Ｒ−Ｓフリツプフロツプ回路２
８はトリガ信号を受けてセツトされ前記リセツト
信号によつてリセツトされるもので、セツト時か
らリセツト時までの所定の時間幅を作り出す。

この時間幅は超音波パルス信号が送波器４から
最短経路（送波器４からアレイ型受波器２２に引
いた垂線経路）を経てアレイ型受波器２２に到達
するまでの伝搬時間を意味する。そしてこの時間
幅の信号は距離算出部２４に加えられている。

距離算出部２４は白金測温抵抗体２９と、抵抗
−電圧変換器３０と、該抵抗−電圧変換器３０か
らの電圧の値により周波数が変化する電圧−周波
数変換器（以下Ｖ／Ｆコンバータという）３１
と、カウンタ回路３２と、ラツチ回路３３と、
Ｄ／Ａコンバータ３４と、増幅回路３５と、シー
ケンスコントロール回路３６とからなる。

Ｖ／Ｆコンバータ３１は印加電圧に比例する周
波数のパルスを出力するものである。カウンタ回
路３２は前記Ｒ−Ｓフリツプフロツプ回路２８か
ら時間幅の信号を受け、その時間幅だけＶ／Ｆコ
ンバータ３１からのパルスをカウントする。そし
て、このカウント値（超音波の伝搬距離に対応す
る値）はラツチ回路３３に入力し次の測定まで
（次のトリガ信号が出力されるまで）保持される。

一方、ラツチ回路３３のカウント値はＤ／Ａコ
ンバータ３４に供給され、このＤ／Ａコンバータ
３４によつてアナログ信号（アナログ電圧）に変
換される。そしてＤ／Ａコンバータ３４のアナロ
グ出力信号は増幅回路３５によつて信号増幅およ
びスケール調整が行われ距離信号として所要の表
示器（図示せず）又は記録器に加えられ、この表
示器等に送波器４とアレイ型受波器２２との垂直
距離が表示されるのである。なお、図中シーケン
スコントロール回路３６はＲ−Ｓフリツプフロツ
プ回路２８からの時間幅の信号を受け、ラツチ回
路３３とＤ／Ａコンバータ３４の動作タイミング
を制御するものである。

ところで、海水温度が基準温度に等しい場合
は、上記の如く掘削模型塔１の変位位置を精度よ
く求めることが可能であるが、水温が変化するよ
うな場合には、水温変化に対応して超音波の伝搬
速度も変化するため、測定精度が低下してしまう
という問題がある。本実施例はこのような不都合
を避けるため、水温補正手段を距離算出部２４に
内蔵している。第２図に示すように、この水温補
正手段は白金測温抵抗体２９と抵抗電圧変換器３
０によつて構成されている。前記白金測温抵抗体
２９は水温変化を抵抗体の電気抵抗の変化として
検出するものであり、抵抗−電圧変換器３０は白
金測温抵抗体２９の検出信号を受けて抵抗変化を
電圧変化に変換し、電圧補正信号をＶ／Ｆコンバ
ータ３１に加えるものである。

例えば、水温が基準温度よりも上昇した場合に
は、超音波の伝搬速度が大きくなるから送波器４
からアレイ型受波器２２までの伝搬時間が短くな
り、Ｒ−Ｓフリツプフロツプ回路２８によつてつ
くり出される時間幅も小さくなる。この結果、カ
ウンタ回路３２のカウント値が小さくなり、送波
器４の求める距離が実際の距離よりも小さい値と
して算出されてしまう。そこで、かかる誤差を防
止するため、抵抗−電圧変換器３０はＶ／Ｆコン
バータ３１への印加電圧を出力周波数を増加する
方向に変化させる。この結果、水温上昇によるカ
ウント値の減少分と電圧補正によるカウント値の
増加分が互いに相殺される。他方、水温が基準温
度よりも低下した場合には逆の動作を行い、水温
低下によるカウント値の増加分と電圧補正による
カウント値の減少分とを相殺させる。このよう
に、水温補正手段を動作させることにより、水温
変化の影響を受けない正確な測定が達成される。

なお、上記実施例はアレイ型受波器２２をＹ軸
上に配置した場合を示したが、このアレイ型受波
器２２を第１図および第２図の鎖線で示すよう
に、Ｘ軸上にも配置して、Ｙ軸の場合と同様に信
号処理することにより、送波器４の移動位置を
XY座標上で求めることが可能となる。

また、超音波の受波器を囲む三次元空間の基準
面、例えばＸ，Ｙ，Ｚの直交座標面にわたつて配
置し、それぞれに信号処理回路を設けることによ
り、送波器４の空間移動位置が三次元直交座標に
よつて求められる。

（考案の効果）本考案は以上説明したような構成と作用とを有
しているので、移動体の基準軸又は基準面からの
位置を、三角測量の複雑な演算処理を要すること
なく極めて簡易な信号処理により求めることがで
き、これに伴ない装置構成の簡易化、演算値の精
度向上および演算速度の高速化を効果的に図るこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る一実施例の構成を示すブ
ロツク図、第２図は第１図の詳細を示すブロツク
図、第３図は受波信号の波形説明図、第４図は従
来例の装置構成を示すブロツク図、第５図は掘削
模型塔の海底設置説明図である。１……掘削模型塔、２……基礎面、３……ロー
プ、４……送波器、５，６……受波器、７……送
信制御部、８，９……受信制御部、１０，１１…
…送受波時間差測定部、１２……演算部、１３…
…送受波制御部、１４……送波制御部、１５……
受波制御部、１６……基準発振回路、１７……分
周回路、１８……トリガ回路、１９……送信回
路、２０……受波増幅回路、２１……バンドパス
フイルタ回路、２２……アレイ型受波器、２３…
…送受波時間差測定部、２４……距離算出部、２
５……ゼロクロス検出回路、２６……タイムゲー
ト回路、２７……フリツプフロツプ回路、２８…
…Ｒ−Ｓフリツプフロツプ回路、２９……白金測
温抵抗体、３０……抵抗−電圧変換器、３１……
Ｖ／Ｆコンバータ、３２……カウンタ回路、３３
……ラツチ回路、３４……Ｄ／Ａコンバータ、３
５……増幅回路、３６……シーケンスコントロー
ル回路。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

複数の振動子がその受波面の法線が同一方向を
向き且つその方向と直角をなす方向に直線状に配
列された受波器、又は複数の振動子がその受波面
が同一平面上に揃うように平面状に配列された受
波器と；前記直線状配列の受波器の各振動子の受
波面の同一点における法線を含む平面内を平面的
に移動するか又は前記面状配列の受波器の前方で
立体的に移動する移動体に設けられた送波器と；
受波器からの受波信号を受けてその受信信号中送
波時点から最も短い時間で受波された信号までの
時間を測定する送受波時間差測定部と；該測定時
間に基づいて、送波器から受波器に対する距離を
垂直距離として算出する距離算出部と；を有する
ことを特徴とする超音波距離測定装置。