JPS6394184A - 超音波変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超音波変位検出装置、詳しくは発信器から発信
された超音波を被測定物で反射させ、該反射された超音
波を受信器で受信し、発信時刻から受信時刻までの時間
を計測することにより、被測定物の変位を検出する装置
に関するものである。

従来技術とその問題点 従来、超音波変位）★小装置は液面計や障害物検知装置
などに広く使用されており、その原理を第４図、第５図
にしたがって説明する。１は超音波発信器、２は超音波
受信器、３は被測定物であり、発信器１から発信された
超音波は被測定物３で反射し、この反射した超音波は受
信器２で受信され、電気信号に変換される。

第５図は発信信号および受信信号を電気信号として表し
たものであり、Ａは発信器１を励振する電圧パルス、Ｂ
は受信器２でネ★出された超音波による信号を示す。発
信、受信器１．２と被ヘリ定物３との距離をし、超音波
の空中での伝播速度をＭとすると、 の関係で、発信器１から超音波が発信されてからＴ時間
後に超音波の反射波が検出される。したがって、伝播時
間Ｔを計測すれば被測定物までの距離りを上式から求め
ることができる。

このような変位検出方法の問題点は、被測定物３の距Ｍ
Ｌが長くなった時、空中を伝播し反射して受信器２に戻
ってくる超音波が大きく減衰することである。即ち、第
５図Ｂ′で示すようにＢに比べて被測定物３までの距離
りが長くなると、単に伝播時間がＴからＴ゛へと長くな
るだけでなく、受信される超音波の振幅がＶから■°へ
と小さくなる。そのため、受信された超音波による信号
がある高さ■。になった時をもって超音波の伝播時間と
すると、Ｂ′では伝播時間としてＴ゛を測定すべきとこ
ろＴ′　＋ΔＴ゛　となり、」１定時間に誤差ΔＴ”を
生じることになる。

第６図は超音波信号の減衰特性を示し、横軸は距Ｍｌｉ
　Ｌ、縦軸は受信される超音波信号の振幅Ｖである。図
から明らかなように、距離りが変化すると、受信される
超音波信号の振幅ｙ　ｆ）＜急激に変化するため、上記
のように波形の高さを一定値■。

と比較して到達時間を決定する方法では誤差が大きくな
るだけでなく、減衰の程度によっては一定値Ｖ。との比
較自体が不可能となる場合がある。

なお、振幅■は、理論的には空中伝播における減衰、被
測定物表面での反射損失を含めおおよそ距離りの４乗に
反比例することが知られている。

このような超音波の減衰に基づく問題を解決するため、
受信される超音波信号を時間とともに増幅度が変化する
増幅器で電気信号に変換し、第５図Ｂ′に破線で示すよ
うに超音波の振幅Ｖが伝播時間に関係なく等しくなるよ
うにし、波形の高さが■。になった時をもって超音波の
伝播時間Ｔ゛を決定する方法も採用されている。この場
合には波形の同一箇所の到達時間を測定できるので、測
定誤差を解消できる。

ところが、現実にはｆＪＪ６図の減衰曲線に沿って厳密
に増幅度が変化する増幅器を実現するのは不可能であり
、そのため従来においては誤差の大きな変位検出装置し
か得られていない。

発明の目的 本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、
その目的は、超音波の減衰の影響を受けず、安価で検出
精度の高い超音波変位検出装置を提供することにある。

発明の構成 上記目的を達成するために、本発明は、発信器から発信
された超音波を被測定物で反射させ、該反射された超音
波を受信器で受信し、発信時刻から受信時刻までの時間
を計測することにより、被測定物の変位を検出する超音
波変位検出装置において、受信器で受信された受信波形
の最高頂点に至るまでの各頂点を検出する回路と、上記
受信波形が零と交わる各交点を検出する回路と、上記両
検出回路の出力から受信波形が最高頂点通過後に零と交
わる交点を検出する回路とを備え、上記最高頂点通過後
の交点の到達時刻をもって超音波信号の受信時刻とする
ものである。

ここで、本発明の原理を第１図について説明する。第１
図において、第５図と同一符号は同一事項を表しており
、Ａは超音波を発信するための励１辰用電圧パルス、Ｂ
は受信された超音波信号、Ｂ“はＢより被測定物が遠方
にあるときに受信された超音波信号であり、再起音波信
号Ｂ、Ｂ’　は共に最高頂点Ｐ、Ｐ’　を過ぎた後減衰
している。

第１図Ｂ、Ｂ’　に示すように被測定物までの距離りが
変化し、これに伴って伝播時間がＴからＴ゛へと長くな
ると、受信される超音波信号の振幅はＶからＶ゛へと小
さくなるが、その振動モードは変化していない。つまり
、振動周期ｔは同じである。この原因は、超音波が受信
器２に到達すると、その超音波によって受信器２が励振
され、その振動数は受信器２の機械的固有振動数に支配
されるからである。

本発明はこの点に着目し、もし振動の最高頂点を知るこ
とができれば、最高頂点を過ぎてその振動が零と交差す
る点ａ、ｂ、ｃ・・・、ａ’　、ｂ’　。

Ｃ“・・・のうち１点く図ではＣとｃ’）をもって超音
波の伝播時間Ｔ、Ｔ’　　とすれば、正確な距離の測定
が可能となる。計測点としてａ、ｂ、’ｃあるいはａ’
、ｂ’、ｃ’　のどの点をとってもよく、図示していな
いがｃ、ｃ’以後の零と交差する点をとってもよい。

上記のように本発明は、受信超音波のうち最高頂点を基
準としてそれ以後に零と交わる交点を特定し、この点を
もって時間を計測するものであり、特に零と交わる点に
よる時間測定は、波の高さがある値になった時と比較す
る場合のように減衰の影響を受けず、しかも時間に対す
る振幅の変化率が大きいので、例えば頂点による検出に
比べて高い検出精度が得られる。

実施例の説明 第２図は本発明にかかる超音波変位検出装置の一例の回
路図、第３図は第２図の各部の電圧波形図である。

図において、１は超音波発信器、２は超音波受信器、３
は被測定物であり、発信器ｌ、受信器２はともに圧？！
！素子を使用した例を示したが、静電式など他の形式で
もよい。

４はパルス電圧発生装置であり、第３図Ａのような電圧
パルスを発信器ｌに与え、超音波を発信させる。５は受
信器２が受信した超音波信号を増幅する増幅器であり、
その出力波形は第３図Ｂのようになる。

６は超音波受信信号Ｂの頂点を検出するための頂点検出
回路で、演算増幅器７．１）、ダイオード８、コンデン
サ９及びトランジスタ１０からなる。

電圧信号Ｂは演算増幅器７の正入力に加えられ、その出
力はダイオード８を経てコンデンサ９に蓄えられる。コ
ンデンサ９の電圧は演算増幅器７の負入力にフィードバ
ックされているので、信号Ｂが零より高くなると、それ
に従いコンデンサ９の電圧も高くなる。また、上述した
ように演算増幅器７の出力にはダイオード８が直列に接
続されているので、信号Ｂが再び零に戻ってもコンデン
サ９の電圧は保持され、第３図Ｃのように順次Ｂ信号の
頂点を検出しながら最後の最も高い頂点Ｐを検出するま
で階段状に増加してゆく。即ち、階段状信号Ｃの最後の
立ち上がりが求める最高頂点Ｐということになる。

演算増幅器１）はコンデンサ９の電圧を乱すことなく後
段の回路に与えるバッファの役目をし、またトランジス
タ１０は電圧パルスＡで動作し、コンデンサ９に蓄えら
れた電圧を次の測定のために放電する役目をする。

階段波形Ｃはコンデンサ１２と抵抗１３とによって微分
され、第３図りのような波形を得て、それがコンパレー
タ１４の正入力に加えられる。このコンパレータ１４の
負入力にはり、なる電圧が加えられているので、コンパ
レータ１４の出力にはＥの如きパルス信号が得られる。

また、増幅器５の出力信号Ｂはコンパレータ１５の正入
力にも加えられ、負入力は接地されているので、コンパ
レータ１５の出力は超音波信号Ｂが零よりも大きくなる
時にＯＮとなるＦのような波形となる。コンパレータ１
５の出力Ｆはコンデンサ１６と抵抗１７とによって微分
され、第３図Ｇのような波形を得る。この微分波形Ｇは
コンパレータ１８の正入力とコンパレータ１９の負入力
とに加えられ、各コンパレータ１８．１９の他方の入力
には第３図Ｇに示すｈ２．ｈ３なる電圧が加えられてい
るので、コンパレータ１８の出力はＨ、コンパレータ１
９の出力は■のようになる。

コンパレータ１８の出力ＨはＲ−Ｓフリップフロップ２
０のセット入力端子Ｓへ接続され、コンパレータ１４の
出力Ｅはリセット入力端子Ｒへ接続される。したがって
、フリップフロップ２０の出力端子Ｑの信号は、第３図
Ｊのように最高頂点Ｐに対応するパルスが通過した後、
次のパルスからＯＮ（ハイレベル）のままとなる。フリ
ップフロップ２０の出力Ｊとコンパレータ１９の出力Ｉ
はＡＮＤ素子２１に接続されているので、ＡＮＤ素子２
１の２つの入力がＯＮの時のみ出力がＯＮとなる。即ち
、ＡＮＤ素子２１の出力には第３図にのような波形が得
られることになる。

このように、超音波信号波形Ｂが最高頂点Ｐを過ぎて３
番目に零と交差する点Ｃに対応する信号が第３図にの最
初のパルスで得られ、超音波が発信されてから点Ｃに至
るまでの時間、即ち伝播時間Ｔが測定される。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明によれば受信器で
受信した超音波信号波形のうち、最高頂点以後の特定の
点を必ず検出し得るので、被測定物までの距離の変化に
よって超音波信号がいかに減衰しても、減衰に全く影響
を受けない時間測定が可能となる。

また、上記特定点は波形が零と交わる交点であるため、
減衰の影響を受けないことは勿論、時間に対する振動の
変化率が他の波形の部位（例えば波形の頂点）に比べて
大きく、高い検出精度が得られる。

さらに、本発明の回路は既存の簡単な素子で構成でき、
かつ従来のような減衰特性に沿った厳密な増幅を必要と
しないので、安価に構成できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための信号波形図、第
２図は本発明にかかる超音波変位検出装置の一例の回路
図、第３図は第２図の各部の信号波形図、第４図は既存
の超音波変位検出装面〇原理を示す図、第５図は従来の
超音波信号の検知方法を示す信号波形図、第６図は超音
波の減衰特性図である。 １・・・発信器、２・・・受信器、３・・・被測定物、
４・・・パルス電圧発生装面、６・・・頂点検出回路、
１５．１８゜１９・・・コンパレータ、２０・・・Ｒ−
Ｓフリップフロップ、２１・・・ＡＮＤ素子。 出　願　人　　三京貿易株式会社 代　理　人　　弁理士　筒井　秀隆 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）発信器から発信された超音波を被測定物で反射さ
   せ、該反射された超音波を受信器で受信し、発信時刻か
   ら受信時刻までの時間を計測することにより、被測定物
   の変位を検出する超音波変位検出装置において、受信器
   で受信された受信波形の最高頂点に至るまでの各頂点を
   検出する回路と、上記受信波形が零と交わる各交点を検
   出する回路と、上記両検出回路の出力から受信波形が最
   高頂点通過後に零と交わる交点を検出する回路とを備え
   、上記最高頂点通過後の交点の到達時刻をもって超音波
   信号の受信時刻とすることを特徴とする超音波変位検出
   装置。