SU1755047A1 - Способ определени рассто ни - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике измерени  линейных размеров с использованием непрерывных ультразвуковых (УЗ) колебаний. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  путем максимального сжати  диапазона перестройки частоты УЗ-колебаний при сохранении однозначности двухчастотного способа определени  рассто ни . Электроакустические преобразователи устанавливают на фиксированном рассто нии один от другого. Возбуждают излучающий преобразователь на частоте резонанса f|. Принимают УЗ-коле- бани  как непосредственно излучающего преобразовател , использу  их после преобразовани  в электрический сигнал в качестве опорного сигнала, так и отраженные объектом. Выполн ют несколько последовательных измерений разности фаз электрического сигнала на выходе приемного преобразовател  и опорного сигнала. Изме- н ют частоту излучени  до значени  f2, соответствующего разности фаз большей величины, определ емой на основании полученных значений . Измер ют значение h и выполн ют несколько последовательных измерений разности фаз Др2. Искомое рассто ние определ ют по измеренным значени м , Д02, f2 с учетом заданных значений fi, скорости распространени  УЗ- колебаний в среде между объектом и преоб- разовател ми и рассто нием между излучающим и приемным преобразовател ми . 1 з.п. ф-лы, 1 ил. I (Л С а ел g VI

Description

Изобретение относитс  к области измерени  линейных размеров с использованием непрерывных ультразвуковых колебаний и может быть использовано дл  определени  рассто ний до различных объектов в системах очувствлени  роботов, контрол  движени  внутрицехового транспорта, в медицинских исследовани х и других област х техники.

Ультразвуковые колебани  используют дл  измерени  рассто ний от единиц миллйметров до дес тков метров в воздушной среде, т.е. в том диапазоне, в котором применение радио- и оптических излучений затруднено из-за необходимости измер ть очень малые временные интервалы ( - с), что св зано с большой скоростью распространени  электромагнитных волн. Скорость распространени  ультразвуковых колебаний в воздухе около 333 м/с, т.е. на 6 пор дков меньше скорости распространени  электромагнитных колебаний. Это позвол ет использовать ультразвуковые колебани  дл  измерени  небольших рассто ний .

Известен фазовый способ определени  рассто ни , заключающийс  в измерении фазового сдвига гармонической огибающей ультразвуковых колебаний относительно модулирующего сигнала и определени  рассто ни  по формуле

L

ДФ

2лг

С F

где L - измеренное рассто ние;

АФ-фазовый сдвиг огибающей;

С - скорость распространени  ультразвуковых колебаний;

F - частота огибающей.

Дл  исключени  неоднозначности фазовых измерений рассто ни  частоту огибающей выбирают в зависимости от максимального рассто ни  мах F C/2LMax.

В то же врем  фазовый сдвиг несущего колебани  может достигать весьма больших значений. Так, дл  L 2 м, частота ультразвуковых колебаний f 60 кГц при С 330 м/с, значение А Фсоставит 2,5-103 рад.

Недостатком способа  вл етс  невысока  точность определени  рассто ни , так как погрешность измерени  фазового сдвига низкочастотной огибающей АФумножа- етс  на отношение частот f/F, которое велико при малой длине волны ультразвуковых колебаний. Мала  длина волны обеспечивает хорошую направленность излучени  и локализацию энергии колебаний при небольших размерах излучател  и приемника.

Более высокую точность обеспечивают способы измерени  рассто ни  с измерением фазовых сдвигов непосредственно несущих ультразвуковых колебаний. Однако при этом возникает неоднозначность фазовых измерений, котора  исключаетс  использованием двух и более частот излучени .

Известен двухчастотный способ измерени  рассто ни , заключающийс  в индикации резонанса амплитудным или фазовым способом, измерении частот акустических резонансов в тракте между излучателем и контролируемым объектом при изменении частоты ультразвуковых колебаний и определении рассто ни  по формуле

о , С(т -п) 2(fm-fn)

где С - скорость распространени  ультразвуковых колебаний;

тип- номера гармоник;

fn и fm - частоты резонанса, Однако этому способу присуща также невысока  точность измерени  рассто ни  из-за относительно большого диапазона перестройки частоты ультразвуковых колебаний . Возникающие при этом фазочастотные искажени  в излучателе и приемнике ультразвуковых колебаний, наличие частотной зависимости поглощени  среды, распространени  этих колебаний и частотные погрешности самого фазометра, используемого дл  индикации резонанса, вызывают по вление дополнительных погрешностей, которые трудно учесть или

скомпенсировать.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  двухчастотный способ определени  рассто ни , заключающийс  в возбуждении пьезоэлектрического преобразовател  непрерывными электрическими колебани ми на первой частоте fi, излучении ультразвуковых колебаний в направлении контролируемого объекта, приеме отраженных колебаний

пьезоэлектрическим приемником с известной акустической базой по отношению к излучателю, измерении разности фаз между прин тыми и излучаемыми колебани ми, изменении частоты колебаний до значени 

тк, при котором разность фаз изменитс  на 2 (К- 1)тги определении рассто ни  по формуле

К-1

35

2(1+Е) (fi-fK)

где К-1 - изменение количества длин волн ультразвуковых колебаний, укладывающихс  между излучателем и приемником при

изменении частоты колебаний от fi до fK;

Е - поправка, завис ща  от рассто ни  между излучателем и приемником (акустической базы) и направленности излучени . Если в процессе изменени  частоты количество длин волн измен етс  на одну длину волны, то разность фаз измен етс  только на 2 и формула приобретает вид

50

I

К-1

2 ( 1 + Е ) ( f 1 - h )

Из последней формулы следует, что минимальный частотный диапазон, в котором необходимо перестраивать частоту колеба- ний, определ етс  изменением разности фаз на один фазовый цикл равен Afmin

(fl-f2).

Определение рассто ни  па двум значени м частоты ультразвуковых колебаний

fi и fa, соответствующих изменению разности фаз на 2  , исключает неоднозначность фазовых измерений при любом соотношении рассто ни  L и длины А ультразвукового излучени  (L/ А 1).

Недостатком известного способа  вл етс  также невысока  точность определени  рассто ни  из-за необходимости перестройки частоты ультразвуковых колебаний хот  и в минимальном, но достаточно широком диапазоне частот. Так, при определении рассто ни  L 0,1 м в воздухе (скорость распространени  ультразвуковых колебаний G 332 м/с) и первом значении частоты колебаний fi 40 кГц (длина волны А C/fi 332/ (40-103) - 0,0083 м) второе значение частоты при Е 1

332 +0,2 40 103

0,2

следовательно, дл  исключени  неоднозначности измерений разности фаз (2 L А ) частоту возбуждени  пьезоэлектрического излучател  необходимо перестроить в диапазон частот от40 до41,66 кГц, т.е. примерно на 4-5%, При меньших рассто ни х или меньшей частоте излучени  диапазон перестройки частоты еще более возрастет.

Из-за ограниченной широкополосности резонансных пьезоэлектрических преобразователей , которые наиболее эффективны при измерении рассто ний, изменение частоты возбуждающих электрических колебаний даже на несколько процентов вызывает по вление неконтролируемых фазовых сдвигов в пьезорезонансных поеобразова- тел х из-за нелинейности их фазочастотных характеристик. Кроме того, в самом фазометре , которым измер ют разность фаз сравниваемых колебаний, возникают дополнительные фазовые погрешности от неидентичности фазочастотных характеристик преобразовательных каналов фазометра и неравномерности амплитудно-частотных характеристик каналов пьезоэлектрических преобразователей. Расширение полосы пропускани  пьезоэлектрических преобразователей неизбежно снижает их энергетические показатели и помехозащищенность от действи  шумов и

различных промышленных помех.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  путем максимального сжати  диапазона перестройки частоты ультразвуковых колебаний при со5

0 . 5

0

0

5

л

5

хранении однозначности двухчастотного способа определени  рассто ни . Кроме того , ставитс  цель уменьшени  вли ни  непосто нства скорости распространени  ультразвуковых колебаний на результат измерени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известный способ определени  рассто ни , заключающийс  в возбуждении пьезоэлектрического преобразовател  непрерывными электрическими колебани ми на частоте резонанса преобразовател , излучении ультразвуковых колебаний в направлении контролируемого объекта, приеме отраженных ультразвуковых колебаний пьезоэлектрическим приемником с известной акустической базой по отношению к излучателю, измерении разности фаз между прин тыми и излучаемыми колебани ми , изменении частоты колебаний до получени  заданных значений изменени  разности фаз сравниваемых колебаний и определении рассто ни  по формуле, введены новые операции, выполн емые о такой последовательности.

Возбуждаемые ультразвуковые колебаний раздел ют на зондирующие, которые облучают контролируемый объект, и опорные , которые непосредственно преобразуют в электрические, сравнивают прин тые зондирующие колебани  с опорными, измер ют частоту колебаний fi и выполн ют р д последовательных отсчетов разности фаз сравниваемых колебаний на этой частоте, определ ют среднее арифметическое значение Др 1 ..среднее квадратическое отклонение результата измерени  и максимальную случайную погрешность . Измен ют частоту возбуждающих преобразователь колебаний до значени  f2, соответствующего разности фаз Ду + К, где К- заданна  величина, определ ема  как максимальное значение случайной погрешности величины . Измер ют измененное значение частоты fa колебаний и выполн ют р д последовательных отсчетов разности фаз сравниваемых колебаний на этой частоте. Определ ют среднее арифметическое значение результата измерени . Рассто ние L определ ют по формуле

. 1 Уг Ада -Др1 1

2п

(

f2-fl

)J2-s2

где S - акустическа  база излучател  и приемника .,

Уменьшение вли ни  непосто нства скорости распространени  ультразвуковых

колебаний С достигаетс  введением дополнительных операций, выполн емых в такой последовательности.

На пути распространени  ультразвуковых колебаний устанавливают отражатель на рассто нии, равном акустической базе излучател  и приемника. Дополнительно измен ют частоту возбуждающих преобразователь колебаний до значени  fa, выбранного из услови  Ь fi, осуществл ют несколько последовательных измерений разности фаз Ада. Определ ют среднее арифметическое значение Ада результата измерени . Вычисл ют максимальное значение N случайной погрешности величины по результатам нескольких измерений. Вновь измен ют частоту возбуждающих преобразователь колебаний до значени  f, соответствующего разности фаз + N и измер ют это значение частоты.

Осуществл ют несколько последова- тельных измерений разности фаз . Определ ют среднее арифметическое значение результата измерени . Вычисл ют значение скорости С по формуле

с (f4-f3) - Дуэз

Используют полученное значение скорости С при определении искомого рассто ни .

Способ определени  рассто ний осуществл ют следующим образом.

Возбуждают пьезоэлектрический преобразователь непрерывными электрическими колебани ми на частоте резонанса fi, совпадающей с резонансной ча.стотой этого преобразовател . Ультразвуковые колебани  раздел ют на зондирующими опорные. Зондирующие колебани  направл ют на контролируемый объект, рассто ние до которого определ ют. Принимают отраженные от объекта зондирующие колебани  приемником, разнесенным с излучателем на известное базовое рассто ние S. Прин тые зондирующие колебани  преобразуют в электрические колебани . Аналогично опорные ультразвуковые колебани  преобразуют в электрические колебани .

Ультразвуковые колебани  при разнесенном излучении и приеме проход т путь

D 2k2 + (S/2f,(1)

на котором испытывают фазовую задержку

А 2VL2+(S/2)2 &1-с

где С - скорость распространени  ультразвуковых колебаний в воздухе.

Сравнивают фазу зондирующих колебаний , отраженных от объекта с опорными и

измер ют разность фаз этих колебаний. Фаза зондирующих колебаний с учетом фазовых задержек в пьезоэлектрических преобразовател х определ етс  выражением

ф,, ( (3/2У +tl+rz).

(3) -

где т - врем  задержки в пьезоэлектрическом излучателе в процессе преобразовани  электрических колебаний в механические;

TZ - врем  задержки в пьезоэлектрическом приемнике в процессе преобразовани  механических колебаний в электрические.

Фаза опорных колебаний, получаемых непосредственно из излучаемых ультразвуковых колебаний

Фг (ri +т3),

(4)

тз - врем  задержки в процессе обрат- ного преобразовани  механических колебаний излучател  в электрические.

Разность фаз сравниваемых электрических колебаний с учетом выражений (3) и (4) имеет вид

&1 Ф1-Ф2 2л:т1х

40

(aVL + (My )

2тг(Ы +ai),

(5)

5

где N - целое число фазовых сдвигов в 2л; а -дробна  часть последнего фазового

цикла.

Измер ют частоту колебаний fi частотомером .

Выполн ют п последовательных отсчетов дробной части разности фаз (5) с по- и мощью фазометра. Определ ют среднее арифметическое результата измерени 

1 п

- 5) Дад, п | 1

(6)

где п - число результатов измерений.

Вычисл ют случайные отклонени  результата измерени 

(5 Др|-Д.(7)

Наход т оценку среднеквадратического отклонени  (СКО) результата измерени 

Др1.

c L i Arf. n(n-1 ,

ДФг 2nh(lAJZjSZzJL + Тз).

2л:(Ы+а2),(13)

Учитыва , что в выражени х (5) и (13) 5 одинаковое число целых фазовых циклов N, имеем разность двух разностей фаз на близких частотах

ДФ2 -ДФ1 Др2 2  (f2 -fi )х

Максимальное значение случайной погрешности наход т из выражени 

5 рта - t ,

где t - коэффициент Стьюдента, завис щий от доверительной веро тностир и числа измерений h.

Измен ют частоту колебаний до тех пор, пока изменение разности фаз не превысит первоначальное значение разности

фаз на величину

Др2 Р t (fy.

коэффициент превышени  приращени  разности фаз над максимальной случайной погрешностью;

Дда - отсчет измененного значени  разности фаз в результате изменени  частоты колебаний.

Измер ют измененное значение частоты h частотомером и выполн ют п последовательных отсчетов разности фаз. Определ ют среднее арифметическое результата измерени 

--I П

Д Affci.

1 1

где - результаты отсчетов разности фаз при частоте колебаний fa.

При выполнении услови  (10) измене- кие разности фаз в результате перестройки частоты колебаний многим меньше одного фазового цикла

Др2 -Др1 pt(Xp 2n.

Поэтому разность фаз зондирующих И опорных колебаний при втором значении частоты h принимает вид

10

(2irL2 + (s/ay +Г2.гз) (14)

Если излучатель и приемник иэготовле15 ны из одного материала и имеют одинаковые ра змеры, то их задержки пр мого и обратного преобразований практически одинаковы (). Дл  формировани  опорных электрических колебаний непос20 редственно из излучаемых ультразвуковых колебаний можно использовать третий электрически изолированный электрод на излучающем пьезоэлектрическом преобразователе , который будет преобразовывать

25 механические ультразвуковые колебани  в электрические. В этом случае обратное преобразование на излучающем и приемных пьезоэлектрических преобразовател х происходит с одинаковой задержкой

30 ( ). Поэтому разность двух разностей фаз (14) с учетбм неравенства (10) имеет вид

35

23r(f2(0((S/2) .

Др2 - .

(15)

40 Из полученного выражени  (15) рассто ние до объекта определ етс  по формуле

(11)

I 1 v7 Д#г-Ду 1 с С ч ,2 с-2 45 2 L 2л: f2-fi П Ъ

(16)

Дл  оценки степени сжати  диапазона перестройки частоты колебаний, возбужда50 ющих пьезоэлектрические преобразователи , в предложенном способе по сравнению с прототипом определим разность частот при измерении одного и того же рассто ни . По прототипу разность частот f г и f 1 опре55 дел етс  изменением разности фаз на один фазовый цикл в 2 

L 2 (

сг

(

По предлагаемому способу разность частот f2-fi определ етс  формулой (16). Приравн в выражени  (17) и (16), получим отношение разностей частот

i/

f2 - f 1 1 2л

fa - f 1 Е t

(18)

где / - коэффициент сжати  диапазона перестройки частоты электрических колебаний .

Таким образом, за счет сжати  диапазона перестройки частоты колебаний существенно снижаетс  вли ние фазочастотных искажений в пьезоэлектрических преобразовател х и каналах электронного фазометра . Возможность перестройки частоты колебаний в узком диапазоне частот позвол ет использовать дл  измерени  рассто ний более эффективные и мощные резонансные пьезоэлектрические преобразователи и избирательные усили , что повышает точность и помехозащищенность измерений.

Дальнейшее повышение точности достигаетс  исключением вли ни  непосто нства скорости распространени  ультразвуковых колебаний. Дл  этого на пути распространени  ультразвуковых колебаний устанавливают отражатель на рассто нии, равном рассто нию между излучателем и приемником, т.е. на величину акустической базь S.

Устанавливают частоту колебаний fs «fi и выполн ют п последовательных отсчетов разности фаз сравниваемых колебаний. Определ ют среднее арифметическое результата измерени 

2 AP3i n j 1

(19)

Затем измен ют частоты колебаний до значени  fy, при котором удовлетвор етс  условие (10) дл  измененной разности фаз

Ap4-Ap3./hoip.

(20)

Измер ют частоту f4 и выполн ют вновь п последовательных отсчетов разности фаз

Ду34. Определ ют среднее арифметическое результата измерений

Ј Др41(21)

п | 1

Определ ют рассто ние до отражател  по формуле (16) с учетом но зых значений разности фаз и частот колебаний

с 1 Уг Дум Ь Т 2д

(

)f-s2

(22)

Из выражени  (22) определ ем значение скорости распространени  ультразвуковых колебаний

10

(f4-f3) Ду 4 -Д0

(23)

Полученное значение скорости С используют дл  определени  рассто ни  до объекта по выражению (16).

На чертеже приведен пример реализации предлагаемого способа с помощью ультразвукового устройства.

Устройство содержит генератор 1 перестраиваемых по частоте электрических колебаний , цифровой частотомер 2, усилитель 3 мощности, трехэлектродный пьезоэлектрический излучатель 4, контролируемый

объект 5, пьезоэлектрический приемник 6, избирательные усилители 7 и 8, цифровой фазометр 9, вольтметр 10 и подвижный отражатель 11.

Электрические колебани  с выхода генератора 1 поступают на усилитель 3, где усиливаютс  по мощности. Электрические колебани  с помощью пьезоэлектрического преобразовател  4 преобразуютс  в ультразвуковые и одновременно с помощью третьего электрода (пьезоэлектрического трансформатора) преобразуютс  в электрические опорные колебани . Ультразвуковые зондирующие колебани  отражаютс  от контролируемого объекта 5 и принимаютс 

пьезоэлектрическим преобразователем 6, расположенным относительно излучател  4 на рассто нии S (акустическа  база). Прин тые ультразвуковые колебани  преобразуютс  приемником 6 в электрические,

которые усиливаютс  избирательным усилителем 7. Опорные колебани  усиливаютс  аналогичным избирательным усилителем 8. Разность фаз усиленных колебаний измер етс  цифровым фазометром 9.

Вначале частоту генератора 1 регулируют в пределах полосы пропускани  пьезоэлектрических преобразователей 4 и 6 до достижени  резонанса, что фиксируетс  по

максимальному показанию вольтметра 10. Измер ют частоту колебаний fi по частотомеру 2 и выполн ют п отсчетов разности фаз сравниваемых колебаний цифровым фазометром 9. Определ ют среднее арифметическое результата измерени  разности фаз

максимальную случайную погрешность измерений.

Измен ют частоту колебаний генерато- ра 1 до тех пор, пока изменение разности фаз по фазометру 9 не превысит первоначальную разность фаз на выбранную из услови  (10) величину. Измер ют установленное значение частоты h частотомером 2 и по результатам отсчетов по фазометру 9 определ ют среднее арифметическое результата измерени  разности фаз Д02. По

результатам измерени  fi, f2, и on- редел ют по формуле (16) рассто ние до объекта 5.

Дл  определени  фактического значени  скорости распространени  ультразвуковых колебаний в воздухе ввод т на пути излучени  отражатель 11. Частоту генерато- ра 1 регулируют до значени  fa f4 с помощью частотомера 2. Затем по отсчетам разности фаз по фазометру 9 определ ют

среднее арифметическое значение резуль

тата измерени  разности фаз . Далее из услови  (10) устанавливают новое значение частоты f4, которое измер ют частотомером 2, Выполн ют п отсчетов разности фаз по фазометру 9 и определ ют среднее арифме-

тическое значение разности фаз Дум. С учетом измеренных значений fa, f4, Дуэз и

-

определ ют фактическое значение скорости С по формуле (23).

Современные цифровые фазометры, например фазометр Ф2-34, имеют среднеквадратичную погрешность не более 0,01-0,05° (fy - рад). При количе- стве отсчетов измер емой разности фаз п 8-10 и веро тности Р 0,95 коэффициент Стьюдента t 2,4-2,3. Коэффициент превышени  /3 дл  уменьшени  вли ни  случай- ных погрешностей измерени  на конечный результат целесообразно выбирать в пределах fi 5-10. Тогда дл  случа  / 8, t 2,4 и Otp рад имеем коэффициент сжати  из соотношени  (18)

1л

8 2,4 10

- з

100.

Дл  измер емого рассто ни  L 0,1 м, С 332 м/с и fi 40 кГц частоту колебаний надо перестраивать не на 1660 Гц, что необходимо в прототипе, а только на 16,6 Гц. Полученный результат подтверждает воз g

°

-

5

0

5

(. 5 0

5

можность использовани  резонансных пьезоэлектрических преобразователей и избирательных усилителей дл  измерени  рассто ний до отражающих объектов с повышенной точностью.

Использование предложенного способа определени  рассто ний до неподвижных объектов в робототехнологических комплексах обеспечивает по сравнению с существующими способами повышение точности определени  положени  деталей и узлов в услови х действи  промышленных помех за счет использовани  узкополосных излучателей и приемников и избирательных усилителей. Автоматизаци  обработки результатов промежуточных измерений может быть выполнена с помощью выпускаемых промышленностью микропроцессорных частотомеров и фазометров.

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ определени  рассто ни  до объекта, заключающийс  в том, что устанавливают электроакустические преобразователи на фиксированном рассто нии один от другого, возбуждают излучающий преобразователь непрерывными электрическими колебани ми частотой ft, соответствующей частоте резонанса этого преобразовател , принимают приемным преобразователем отраженные объектом ультразвуковые колебани , измер ют разность фаз электрического сигнала на выходе приемного преобразовател  и опорного сигнала, измен ют частоту возбуждающих преобразователь колебаний до значени  fa, соответствующего разности фаз + К , где К - заданна  величина, измер ют это значение частоты и разность фаз Ада, и с помощью измеренных параметров определ ют искомое рассто ние, о т - личающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений, дополнительно принимают колебани  излучающего преобразовател , преобразуют их в электрический сигнал и используют его в качестве опорного сигнала, на каждой из частот fi и f2 выполн ют несколько последовательных измерений разности фаз, величину К определ ют как максимальное значение случайной погрешности величины Др1,рассчитанное по результатам нескольких измерений , а искомое рассто ние L определ ют по формуле

   ( С чл2 Ј2

   21 2  42-fi Л Ь

   где Д$01 , Д#2 - среднее арифметическое значение измеренных разностей фаз и Д pi соответственно;

   С - скорость распространени  ультразвуковых колебаний в среде между объектом и преобразовател ми;

   S - рассто ние между излучающим и первым приемным преобразовател ми.
2. 2. Способ по п.1, отличающийс  тем, что после измерени  частоты fa и разности фаз Аде располагают перёд преобразовател ми отражатель на рассто нии, равном рассто нию между излучающим и первым приемным преобразовател ми, дополнительно измен ют частоту возбуждающих преобразователь колебаний до значени  fa, выбранного из услови  fa «fi, осуществл ют несколько последовательных измерений разности фаз , вычисл ют максимальное.значение N случайной погрешности величины А(/% по результатам

   нескольких измерений, вновь измен ют частоту возбуждающих преобразователь колебаний до значени  fy, соответствующего разности фаз Дух 5: Д0 + N, измер ют это значение частоты, осуществл ют несколько последовательных измерений разности фаз вычисл ют значение скорости С по формуле

   10

   4 S (f4 - fa)

   - Д03

   где , - среднее арифметическое jg значение измеренных разностей фаз Ддо и Д 4 соответственно,

   и используют полученное значение скорости С при определений искомого рассто ни . ;; ;;-.. - - ;-: :-:- - -.;/ ... - .- : - . . : :

   .-- : ; - :-