NO873982L

NO873982L - PROCEDURE AND APPARATUS FOR MEASURING A DISTANCE BY ULTRA SOUND PULSES.

Info

Publication number: NO873982L
Application number: NO873982A
Authority: NO
Inventors: Esko Jukkala
Original assignee: Mikrovalmiste U J Pulkkanen Oy
Priority date: 1986-01-28
Filing date: 1987-09-23
Publication date: 1987-09-23
Also published as: NO873982D0

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning for måling av en avstand mellom to punkter ved hjelp av ultralydpulser. The present invention relates to a method and a device for measuring a distance between two points using ultrasound pulses.

Det er velkjent at avstanden mellom to punkter kan målesIt is well known that the distance between two points can be measured

på forskjellige måter. Det er kjent å sende et elektromagnetisk, akustisk eller optisk signal fra et opprinnelsespunkt slik at det blir reflektert tilbake fra et målpunkt til opprinnelsespunktet. Avstanden mellom punktene blir bestemt på grunnlag av overføringstiden til og fra målpuktet. Ved denne målemetoden er et passivt ekko fra målpunktet vanligvis ikke tilstrekkelig, men målet må forsynes med en reflektor slik at størrelsen på ekkoet som skal mottas, blir tilstrekkelig. in different ways. It is known to send an electromagnetic, acoustic or optical signal from a point of origin so that it is reflected back from a target point to the point of origin. The distance between the points is determined on the basis of the transfer time to and from the destination point. With this measurement method, a passive echo from the target point is usually not sufficient, but the target must be provided with a reflector so that the size of the echo to be received is sufficient.

I US-patent nr. 4.254.478 er det videre beskrevet en fremgangsmåte for bestemmelse av en avstand ved hjelp av ultralydpulser, hvor målpunktet er forsynt med en sender som sender pulsen tilbake til opprinnelsespunktet etter en bestemt forsinkelse. Hensikten med forsinkelsen er å eliminere mulige forstyrrende ekko fra omgivelsene. US patent no. 4,254,478 further describes a method for determining a distance using ultrasonic pulses, where the target point is provided with a transmitter which sends the pulse back to the point of origin after a certain delay. The purpose of the delay is to eliminate possible disturbing echoes from the surroundings.

En ulempe ved denne kjente fremgangsmåte til bestemmelseA disadvantage of this known method for determination

av en avstand ved hjelp av ultralydpulser, er at sender- og mottager-anordningene er separate, og de er konstruert for å virke avhengig av om de er anbragt ved opprinnelsespunktet eller ved målpunktet til mellomrommet. Videre kan måleresultatet bare avleses ved den ene enden av mellomrommet. På grunn av målemetodens stive beskaffenhet er det ikke lett å observere en varierende avstand mellom målepunktene. of a distance using ultrasonic pulses, is that the transmitter and receiver devices are separate, and they are designed to work depending on whether they are placed at the point of origin or at the target point of the space. Furthermore, the measurement result can only be read at one end of the space. Due to the rigid nature of the measurement method, it is not easy to observe a varying distance between the measurement points.

Ofte ville det imidlertid være ønskelig at observatørerOften, however, it would be desirable for observers

ved forskjellige punkter lett kunne følge hverandres bevegelser og kontinuerlig styre avstanden mellom stedene. Dette er nødvendig for f.eks. politimenn, dykkere og når det gjelder landmåling og bygging. at different points could easily follow each other's movements and continuously control the distance between the places. This is necessary for e.g. policemen, divers and when it comes to surveying and construction.

Formålet med oppfinnelsen er å eliminere de ovennevnte ulemper og tilveiebringe en fremgangsmåte for måling av avstander, hvilken fremgangsmåte muliggjør en mer fleksibel operasjon enn kjente fremgangsmåter. Dette blir oppnådd ved hjelp av en fremgangsmåte slik som angitt i ingressen til til krav 1, ytterligere kjennetegnet ved de trinn som beskrives i kravets karakteriserende del. The purpose of the invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages and to provide a method for measuring distances, which method enables a more flexible operation than known methods. This is achieved by means of a method as stated in the preamble to claim 1, further characterized by the steps described in the characterizing part of the claim.

Den grunnliggende idé ved oppfinnelsen er således å tilveiebringe en fremgangsmåte for måling av en avstand på en slik måte at anordninger anbragt ved forskjellige punkter, vekselvirker med hverandre kontinuerlig, og at måleresultatet er synlig i begge innretningene. The basic idea of the invention is thus to provide a method for measuring a distance in such a way that devices placed at different points interact with each other continuously, and that the measurement result is visible in both devices.

For det andre er formålet med oppfinnelsen å tilveiebringe en måleanordning som er egnet for utførelse av fremgangsmåten og som sikrer den enklest mulige bruk. Dette blir oppnådd i samsvar med de trekk som angis i krav 4. Secondly, the purpose of the invention is to provide a measuring device which is suitable for carrying out the method and which ensures the simplest possible use. This is achieved in accordance with the features set out in claim 4.

Siden anordningene som er anbragt ved de forskjellige punkter, er identiske, vil selv en legmann som er ukjent med måleteknikkene, finne det lett å bruke dem, og han trenger ikke å vite om han skal ha med seg en anordning beregnet for opprinnelsespunktet eller en anordning beregnet for målpunktet. Den identiske oppbygning av anordningene gjør dem også lettere Since the devices placed at the various points are identical, even a layman unfamiliar with the measuring techniques will find it easy to use them, and he does not need to know whether to carry a device intended for the point of origin or a device calculated for the target point. The identical structure of the devices also makes them lighter

å realisere og fremstille industrielt.to realize and produce industrially.

I det følgende vil oppfinnelsen bli beskrevet mer detaljert under henvisning til den vedføyde tegning, hvor: Figur 1 er en forenklet skisse av sender/mottager-enheter som brukes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og vekselvirk-ningen mellom dem, Figur 2 illustrerer på en tidsakse de signifikante hendelser i måleprosedyren på figur 1, Figur 3 er et blokkskjema over oppbygningen av sender/mottager-enheten som brukes i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. In the following, the invention will be described in more detail with reference to the attached drawing, where: Figure 1 is a simplified sketch of transmitter/receiver units used in the method according to the invention and the interaction between them, Figure 2 illustrates on a time axis the significant events in the measurement procedure in Figure 1, Figure 3 is a block diagram of the structure of the transmitter/receiver unit used in the method according to the invention.

På figur 1 er sender/mottager-enhetene LVA og LVB anbragtIn figure 1, the transmitter/receiver units LVA and LVB are arranged

i en bestemt avstand fra hverandre. Sender/mottager-enheten LVA omfatter en sender La og en mottager Va, og sender/mottager-enheten LVB omfatter tilsvarende en sender Lb og en mottager Vb. Målingen kan påbegynnes ved begge ender av målestrekningen. I det følgende eksempel blir målingen påbegynt ved hjelp av anordningen LVA ved å sende en ultralydpuls med senderen La til anordningen LVB, idet telleren i anordningen LVA blir startet samtidig (telleren er ikke vist på figur 1 for klarhetens skyld). På figur 2 illustrerer den øvre tidsaksen som er merket LVA, de signifikante hendelser i anordningen LVA og den nedre tidsaksen som er merket LVB, illustrerer de signifikante at a certain distance from each other. The transmitter/receiver unit LVA comprises a transmitter La and a receiver Va, and the transmitter/receiver unit LVB correspondingly comprises a transmitter Lb and a receiver Vb. The measurement can be started at both ends of the measurement section. In the following example, the measurement is started using the device LVA by sending an ultrasonic pulse with the transmitter La to the device LVB, the counter in the device LVA being started at the same time (the counter is not shown in figure 1 for the sake of clarity). In Figure 2, the upper time axis marked LVA illustrates the significant events in the device LVA and the lower time axis marked LVB illustrates the significant

hendelser i anordningen LVB. Detøyeblikk da anordningen LVA sender en ultralydpuls USP1, er indikert ved ved ti på tidsaksen. Pulsen blir mottatt av mottageren Vbved tiden t2, og forsinkelsesanordningen i anordningen LVB blir startet samtidig (denne anordningen er ikke vist på figur 1). Overføringstiden fra anordningen LVA til anordningen LVB er indikert med T på figur 1 og 2. Forsinkelsen har til hensikt å forsinke overfø-ringen inntil alle mulige forstyrrende refleksjoner er dødd ut. Etter at forsinkelsestiden ved 5t i anordningen LVB er gått ut, sender senderen Lb en ultralydpuls USP2ved tiden t3, og telleren i anordningen LVB blir startet samtidig (telleren er ikke vist på figur 1). Den utsendte pulsen blir mottatt etter overføringstiden T ved tiden t4i anordningen LVA, idet forsinkelsesanordningen i anordningen LVA blir startet samtidig (anordningen er ikke vist), og den telleren som ble startet tidligere ved tidspunktet ti , blir stoppet, hvoretter måleresultatet som er beregnet på grunnlag av tidsintervallet som måles av telleren, kan avleses i anordningen LVA. Etter forsinkelsestiden 5t i anordningen LVA, som fortrinnsvis er lik forsinkelsen i anordningen LVB, sender senderen La en ultralydpuls USP3ved tidspunktet ts , hvilken puls blir mottatt av mottageren Vbi anordningen LVB etter overføringstiden T ved et tidspunkt te, events in the device LVB. The moment when the device LVA sends an ultrasound pulse USP1 is indicated at ten on the time axis. The pulse is received by the receiver Vb at time t2, and the delay device in the device LVB is started at the same time (this device is not shown in figure 1). The transmission time from the device LVA to the device LVB is indicated by T in Figures 1 and 2. The purpose of the delay is to delay the transmission until all possible disturbing reflections have died out. After the delay time at 5h in the device LVB has expired, the transmitter Lb sends an ultrasound pulse USP2 at time t3, and the counter in the device LVB is started at the same time (the counter is not shown in Figure 1). The transmitted pulse is received after the transmission time T at time t4 in the device LVA, the delay device in the device LVA being started at the same time (the device is not shown), and the counter that was started earlier at time ti is stopped, after which the measurement result calculated on the basis of the time interval measured by the counter can be read in the device LVA. After the delay time 5t in the device LVA, which is preferably equal to the delay in the device LVB, the transmitter La sends an ultrasound pulse USP3 at time ts, which pulse is received by the receiver Vbi device LVB after the transmission time T at a time te,

og som et resultat av dette blir forsinkelsesanordningen i anordningen LVB startet, og den telleren som ble startet tidligere ved tidspunktet ta, blir stoppet, hvoretter måleresultatet er synlig også i anordningen LVB. Etter forsinkelsestiden 6t i anordningen LVB, sender anordningen igjen en ultralydpuls, og måleprosedyren fortsetter som beskrevet ovenfor idet anordningene vekselvirker kontinuerlig med hverandre. For tydelighets skyld er synkroniseringen av anordningene ved begynnelsen av måleprosedyren ikke blitt beskrevet, fordi den ikke tilhører den grunnleggende idé ved oppfinnelsen. and as a result of this, the delay device in the device LVB is started, and the counter that was started earlier at time ta is stopped, after which the measurement result is also visible in the device LVB. After the delay time 6t in the device LVB, the device again sends an ultrasound pulse, and the measurement procedure continues as described above, as the devices continuously interact with each other. For the sake of clarity, the synchronization of the devices at the beginning of the measurement procedure has not been described, because it does not belong to the basic idea of the invention.

Lengden av forsinkelsestiden 5t i anordningene må velges slik at den er tilstrekkelig lang i forhold til den største arbeidsavstand mellom anordningene og pulsens løpetid i mediet. Når forsinkelsen 5t og pulsens forplantningshastighet i mediet er kjent, kan selvsagt avstanden mellom anordningene beregnes på grunnlag av det målte tidsintervall. Figur 3 illustrerer nærmere oppbygningen av sender/mottager-enheten LVA eller LVB i henhold til oppfinnelsen. Som nevnt ovenfor er anordningene identiske. En sender/mottager-sensor 1 som arbeider ved like sender- og mottager-frekvenser er forbundet med en sender/mottager-komponent 2 hvis mottagerside omfatter en mottager-forsterker 3 koblet etter sensoren 1, og en detektorkrets 4 og en pulsformende krets 5 koblet etter mottager-forsterkeren. På sendersiden blir en puls tilført sensoren 1 gjennom en sender-forsterker 6. Sender/mottager-komponenten 2 er koblet gjennom en buss 7 til en teller og styreport-komponent 8 som kommuniserer gjennom en toveis buss 10 med en prosessor-komponent 9 som styrer apparatets operasjoner. Prosessor-komponenten 9 styrer en fremvisningsenhet 11 over en buss 12. En kalibrerings-komponent 13 er koblet både til teller og styreport-komponenten 8 og til prosessor-komponenten 9. Anordningens programmerbarhet er representert av en program-komponent 14 som er festet til prosessor-komponenten 9. Figur 3 viser også en strømkilde-komponent 15 som leverer strøm til anordningen. The length of the delay time 5h in the devices must be chosen so that it is sufficiently long in relation to the largest working distance between the devices and the duration of the pulse in the medium. When the delay 5t and the propagation speed of the pulse in the medium are known, the distance between the devices can of course be calculated on the basis of the measured time interval. Figure 3 illustrates in more detail the structure of the transmitter/receiver unit LVA or LVB according to the invention. As mentioned above, the devices are identical. A transmitter/receiver sensor 1 that works at the same transmitter and receiver frequencies is connected to a transmitter/receiver component 2 whose receiver side comprises a receiver amplifier 3 connected after the sensor 1, and a detector circuit 4 and a pulse shaping circuit 5 connected after the receiver amplifier. On the transmitter side, a pulse is supplied to the sensor 1 through a transmitter amplifier 6. The transmitter/receiver component 2 is connected through a bus 7 to a counter and control port component 8 which communicates through a bidirectional bus 10 with a processor component 9 which controls device operations. The processor component 9 controls a display unit 11 via a bus 12. A calibration component 13 is connected both to the counter and control port component 8 and to the processor component 9. The device's programmability is represented by a program component 14 which is attached to the processor -component 9. Figure 3 also shows a power source component 15 which supplies power to the device.

Siden forplantningshastigheten til ultralydpulsen varierer avhengig av f.eks. mediet og dets temperatur, er det nødvendig å kalibrere anordningen for arbeidsbetingelsene i hvert spesielt tilfelle. Denne målingen av forplantningshastigheten ved hjelp av kalibrerings-komponenten 13, kan utføres på mange måter, f.eks. manuelt over en kjent avstand, eller automatisk, hvorved prosessor-komponenten 9 korrigerer måleresultatet. Da kalibreringen imidlertid er kjent for fagfolk på området, ligger den ikke innenfor rammen for oppfinnelsen, så den blir ikke diskutert nærmere her. Since the propagation speed of the ultrasound pulse varies depending on e.g. the medium and its temperature, it is necessary to calibrate the device for the working conditions in each particular case. This measurement of the propagation speed by means of the calibration component 13 can be carried out in many ways, e.g. manually over a known distance, or automatically, whereby the processor component 9 corrects the measurement result. However, as the calibration is known to those skilled in the art, it is not within the scope of the invention, so it is not discussed further here.

Forsinkelsene 6t som er essensielle for anordningene, kan bevirkes av prosessoren 9 som styrer anordningens operasjoner, og derfor er ingen separate forsinkelsesanordninger vist på figur 3. Prosessoren 9 blir informert om en mottatt puls gjennom styreportene og kanalen 10, og den avgir et sendersignal til sender/mottager-komponenten etter forsinkelsestiden. Kompensasjonen for forsinkelsen for å tilveiebringe et korrekt måleresultat, kan også utføres av prosessoren 9 slik at forsinkelsen blir tatt i betraktning når prosessoren beregner måleresultatet. Alternativt kan kompensasjonen utgjøres i teller og styreport-komponenten 9 slik at telleren ikke påbegynner den effektive telling før forsinkelsestiden er passert etter tellerens mottagelse av startpulsen. The delays 6t which are essential to the devices can be effected by the processor 9 which controls the operations of the device and therefore no separate delay devices are shown in Figure 3. The processor 9 is informed of a received pulse through the control ports and the channel 10 and it emits a transmitter signal to the transmitter /receiver component after the delay time. The compensation for the delay in order to provide a correct measurement result can also be performed by the processor 9 so that the delay is taken into account when the processor calculates the measurement result. Alternatively, the compensation can be made up in the counter and the control port component 9 so that the counter does not begin the effective count before the delay time has passed after the counter's reception of the start pulse.

Ønskede måleresultater kan lagres i prosessor-komponentensDesired measurement results can be stored in the processor component

9 lager. Videre er det mulig å fremvise på fremvisningsanord-ningen 11 ikke bare den målte avstand, men også endringen i en avstand for eksempel. Selvfølgelig er det også mulig å utføre andre beregningsoperasjoner ved hjelp av prosessoren 9 og fremvise dem på fremviser-enheten 11. 9 stocks. Furthermore, it is possible to display on the display device 11 not only the measured distance, but also the change in a distance, for example. Of course, it is also possible to perform other calculation operations using the processor 9 and display them on the display unit 11.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet ovenfor under henvisning til det eksempel som er vist på tegningen, er det klart at oppfinnelsen ikke er begrenset til denne utførelsesfor-men, men at den kan modifiseres på forskjellige måter. Hvis for eksempel ingen respons oppnås på en utsendt ultralydpuls etter en bestemt tidsperiode, kan utsendelsen av pulsen fortsettes inntil en svarpuls oppnås fra den andre anordningen. Tilsvarende kan de konstruksjonsmessige detaljer ved sender/mottager-enheten varieres betydelig innenfor den oppfinnelsesramme som fremgår av kravene. Det er også mulig å bruke mer enn to anordninger samtidig ved å synkronisere anordningene med hverandre, f.eks. ved alternerende å måle avstanden mellom to vilkårlige anordninger. Although the invention has been described above with reference to the example shown in the drawing, it is clear that the invention is not limited to this embodiment, but that it can be modified in various ways. If, for example, no response is obtained to an emitted ultrasound pulse after a certain period of time, the emission of the pulse can be continued until a response pulse is obtained from the other device. Correspondingly, the constructional details of the transmitter/receiver unit can be varied significantly within the scope of the invention as stated in the claims. It is also possible to use more than two devices at the same time by synchronizing the devices with each other, e.g. by alternately measuring the distance between two arbitrary devices.

Claims

1. Method for measuring a distance between two points using ultrasonic pulses, comprising the following steps: (a) sending an ultrasonic pulse (USPi) by means of a transmitter/receiver (LVA) arranged at an origin point, to a target point, whereby a counter (8) in the transmitter/receiver (LVA) is started; (b) receiving the ultrasound pulse (USPi) by means of a transmitter/receiver (LVB) placed at the target point, whereby a specific delay time in the transmitter/receiver (LVB) is started; (c) sending an ultrasonic pulse (USP2 ) by the transmitter/receiver (LVB) to the point of origin after the delay time has passed, whereby a counter (8) in the transmitter/receiver (LVB) is started; (d) reception of the ultrasound pulse (USP2 ) by means of the transmitter/receiver (LVA) at the point of origin, whereby a specific delay time for the transmitter/receiver (LVA) is simultaneously started, the counter (8) therein is stopped and the measurement result is displayed in the transmitter /the recipient (LVA); (e) sending an ultrasonic pulse (USP3 ) from the transmitter/receiver (LVA) to the target point after the delay time of the transmitter/receiver (LVA) has passed, whereby the counter (8) therein is started; (f) reception of the ultrasound pulse (USP3 ) by means of the transmitter/receiver (LVB) at the target point, whereby the delay time of the transmitter/receiver (LVB) is simultaneously started and the counter (8) therein is stopped, characterized by the fact that equal delay times (5h) and equal frequencies are used in the transmitters/receivers (LVA, LVB), whereby (g) the measurement result in step (f) is also displayed in the transmitter/receiver (LVB) which is placed at the target point, and (h) measurement continues from step (c) until interrupted.

2. Method according to claim 1, characterized by different measurement results being stored in a warehouse for processing.

3. Method according to claim 2, characterized in that a distance change is preferably displayed in addition to a measured distance between the devices.

4. Device for measuring a distance between two points using the propagation time of ultrasound pulses, comprising transmitters/receivers (LVA, LVB) placed at an origin point and a target point, where each transmitter/receiver in combination includes: a transmitter (La, Lb ) and a receiver (Va,Vb ) for sending and receiving ultrasound pulses; a counter component (8) to provide a count proportional to the propagation time of the ultrasound pulse; delay devices (8,9) to determine a delay time (5h) between the reception time of the ultrasound pulse and a subsequent sending time, characterized in that the transmitters/receivers (LVA,LVB) are identical to each other, as all their transmitters (La,Lb ) and receivers (Va,Vb ) work at the same frequency.