專利名稱：一種基于超聲波或聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在氣體或液體介質(zhì)中用超聲波或聲波測量被測物體的動態(tài)位移或距離的方法和裝置，具體地是指在連續(xù)的超聲波或聲波聲場中檢測被測對象所在物理位置的超聲波或聲波相位從而確定其動態(tài)位移或距離編碼(數(shù)字量)的一種方法及其相應的測量裝置。
背景技術(shù)：
超聲波或聲波(以下簡稱超聲波)測長、測距、測位移有著很長的歷史，也是一種具有發(fā)展前景的、成熟的、無損、非接觸測量方法。進入新世紀以來，高科技、工業(yè)、國防裝備和民用各領(lǐng)域的飛速發(fā)展，呼喚著超聲波測長、測距及測位移的技術(shù)指標在現(xiàn)有基礎上的新突破。如果輸出數(shù)據(jù)速率、分辨率、重復度、準確度等主要技術(shù)指標在原有的基礎上再提高1～2個數(shù)量級，就可以更大地拓寬超聲檢測的應用領(lǐng)域，提高我國超聲檢測和測量的科技水平。
2005年8月中旬發(fā)明人在英特網(wǎng)、以及2005年9月第八屆武漢國際機電博覽會上得到了德國、美國著名的傳感器公司，國內(nèi)中科院系統(tǒng)、軍工系統(tǒng)及國有、民營專業(yè)公司和研究機構(gòu)有關(guān)超聲波傳感器及測量裝置的許多技術(shù)資料。經(jīng)分析研究，認為現(xiàn)有商品化的超聲測距傳感器及其檢測裝置的確設計、制造精美，完善，既有標準，又成系列，應用廣泛，其主要技術(shù)指標幾乎已經(jīng)達到該檢測原理及檢測方法的極限。這此產(chǎn)品都是采用從超聲波發(fā)射器發(fā)射單脈沖到接收器所在位置接收到第一個回波的時間差來計算發(fā)射傳感器與被測對象(接收器)之間的距離的。其工作原理為時間差法，又稱飛點法(TOF)，也就是常稱的回波法。這與無線電技術(shù)中雷達測距和光學視覺傳感器檢測無線電波或光波從傳感器發(fā)出經(jīng)被測物反射后回到原處來回經(jīng)過的時間而得到距離的原理是一樣的其時間和被測距離的基本關(guān)系是L＝(1/2)ct(1)計算公式(1)中，L為被測距離，1/2為反射方式工作時，距離為測量波經(jīng)過的一半路程，c為超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波往返所經(jīng)過的時間(其檢測原理參見見圖1、圖2、圖3)。
當然若為雷達測距，其中c為無線電波在介質(zhì)中的傳播速度，若是激光或紅外測距，則c為激光波或紅外波在測量介質(zhì)中的傳播速度。超聲波測距與它們相比，除在測量時間的獲取和處理上比較容易，設備成本較低外，存在以下三個不足(參見圖1，圖2及圖3)(A)聲速c，聲速遠沒有光速和無線電波在空氣中的傳輸速度穩(wěn)定(光速經(jīng)溫度、濕度、氣壓精確修正后一般能達到1ppm量級)，受介質(zhì)(空氣或水、油等)的體積彈性模量與密度之比的平方根制約。溫度、濕度、氣壓以及介質(zhì)的成份及含量，會嚴重影響聲波的傳播速度。如果沒有合適、科學、實時的校正辦法，則測量精度是難以有所提高的。現(xiàn)有的產(chǎn)品在準確修正溫度誤差(±1℃以內(nèi))的條件下，最高精度也只能達到0.1％D(D為測量距離)，而且現(xiàn)有產(chǎn)品都沒有考慮氣壓、濕度、氣體成份和含量等對聲速的影響，故現(xiàn)有產(chǎn)品所標定的精度指標是值得質(zhì)疑，需要進一步驗證的。
(B)超聲傳感器發(fā)出的縱波是一種機械波，它產(chǎn)生的是一種活塞源聲場，不可能沒有慣性，通過仿真和樣品的直接觀測，頻率越低慣性越大，因此只發(fā)射單脈沖對測量是非常不利的。所以有的產(chǎn)品改用較高的工作頻率(130kHz以上)以減小慣性的影響，但在氣體中傳輸?shù)膿p耗比40kHz的傳感器高。當控制線路發(fā)出一個單脈沖到發(fā)射傳感器(換能器)，它一接收到信號，就開始作相應的機械振蕩，但由于慣性，不能一下子達到額定的機械縱波的最大幅值，如果沒有后續(xù)電流的驅(qū)動，該換能器發(fā)出機械縱波的機械能量不足連續(xù)聲場的10％。所以單脈沖工作方式的信噪比是不夠理想的。當超聲波工作頻率為40kHz或60kHz的超聲低頻端頻率時，在氣體中傳輸?shù)膿p耗比超聲高頻端的傳感器為小。但由于慣性，此時接收器得到單脈沖回波的幅值很小且不穩(wěn)定，易受各種干擾的影響。故回波法必須配置較高的驅(qū)動電壓以提高信噪比。同理，當單脈沖發(fā)射停止后，機械慣性使發(fā)射傳感器留有以指數(shù)曲線衰減的余振(參見圖3)，這對后續(xù)信號的處理也是不利的。所以這種信號發(fā)射和接收方式得不到較高的重復度，即使提高了裝置的分辨率(有的論文稱可高達ns級的高分辨率)，但由于信噪比差，重復度差，這樣過高的分辨率實質(zhì)上是無意義的。
(C)傳統(tǒng)的單脈沖間隙工作法即飛點法(TOF)，它必須在接收傳感器收到上一個單脈沖的測量回波后才能進行第二周期的測量，所以測量周期(T)隨量程的增加而增加，這樣不可能得到較高的數(shù)據(jù)輸出率，因而動態(tài)跟蹤性能較差，這就嚴重限制了該法在動態(tài)檢測的應用。例如，對于量程為10m的超聲波測長或位移測量裝置，其最高輸出數(shù)據(jù)的速率不會超過17Hz，對于單頭發(fā)射和接收合一的系統(tǒng)需要發(fā)射和接收的轉(zhuǎn)換時間以及D/A轉(zhuǎn)換，不僅會出現(xiàn)測量盲區(qū)，而且輸出數(shù)據(jù)的速率就更低。
由此可見，要提高超聲傳感器測量位移或測量距離的主要技術(shù)指標必須突破傳統(tǒng)回波法在測量原理上的限制，另辟蹊徑。發(fā)明人根據(jù)自已在莫爾光柵、感應同步器、容柵、CCD+條碼以及球柵、靜磁柵、FBG、FOG等精密相位檢測方面的工作經(jīng)歷和學識，提出“一種基于超聲波或聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量方法及其裝置”這種新穎的技術(shù)方案，同時研制了具體的原理樣機，構(gòu)建了在對射、反射、空氣中、水中、油中運行，以及單頭和陣列工作方式等試驗平臺，驗證并優(yōu)化了相關(guān)解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在不改變超聲波傳感器硬件結(jié)構(gòu)的基礎上，克服現(xiàn)有超聲波回波測距法及其裝置存在的不足，提供一種基于超聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量新方法。該測量方案與傳統(tǒng)的回波法相比，能量利用率高，信噪比好，輸出數(shù)據(jù)率快，分辨率高，重復度好，測量結(jié)果受環(huán)境影響小，準確度高，且可采用低頻端的超聲傳感器，所需傳感器的來源廣泛，且價格較低，總的制造成本不高，易于普及和推廣。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種基于超聲波或聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量方法，包括以下步驟1)由發(fā)射器在氣體或液體介質(zhì)內(nèi)發(fā)射連續(xù)的超聲波，在其聲場測量范圍內(nèi)設置對射/反射接收器(包括反射物體)接收連續(xù)超聲波即啟動時刻首個回波以后的聲場(以下略稱連續(xù)聲場)；2)采用分頻器將所接收的連續(xù)超聲波的每一波長按相位等分成至少是百位數(shù)的份數(shù)，并將接收器所在位置的低位碼(精碼)即相位碼以相應的二進制編碼值表示；3)將接收器(被測對象)所在位置接收到連續(xù)超聲波在基頻(超聲波工作頻率)鑒相時刻(規(guī)定信號從負向正穿越時間軸(反之亦可)的瞬間)不足一個整波長的波形信號以相位等分的份數(shù)作為波數(shù)的小數(shù)(相位碼)表示，其波數(shù)(粗碼)的增量由相位碼進位或退位得到，則被測對象的全量位置絕對編碼即為相位碼+粗位增量碼+啟動時刻獲取的粗碼(波數(shù))；4)以粗碼加上相位碼即形成全量位置絕對編碼值，再乘以發(fā)射器波長(修正環(huán)境參量后)的方式，得到發(fā)射器至接收器(被測對象)之間的位移/距離數(shù)值，或者；5)先按步驟1)——步驟3)中的方法測量一標準量具長度的全量位置絕對編碼值，將所測得的長度編碼值(在這里是隨環(huán)境因素變化著的)作為基準(分母)，再測量被測對象的全量位置絕對編碼值(在同一測量環(huán)境中)并以此作為分子，將分子與分母相除所得到的比值再與標準量具長度的數(shù)值相乘，即為發(fā)射器至接收器(被測對象)之間的位移/距離數(shù)值。
本發(fā)明方法的步驟2)中采用N+M級計數(shù)器將接收到連續(xù)超聲波或單個回波的每一波長按相位等分成256～1024份，并以多位的二進制整數(shù)和小數(shù)位表示全量位置絕對編碼。
本發(fā)明方法的步驟3)中先由發(fā)射器發(fā)射連續(xù)超聲波作為啟動，由接收器(被測對象)得到一個從啟動時刻到收到第一回波，并延遲了固定周期后產(chǎn)生一個信噪比得到改善了的鑒相脈沖，獲得的全量位置絕對編碼值來作為該次測量的零點，并以此計算發(fā)射器至接收器(被測對象)之間的絕對距離值(需補償相應的延遲時間值)。
本發(fā)明方法的步驟3)中發(fā)射器先用第一頻率工作，接收器在一個周期內(nèi)得到一組相位碼B1，然后關(guān)閉第一頻率，發(fā)射器用第二頻率工作，接收器在一個周期內(nèi)得到另一組相位碼B2，相位碼B1與相位碼B2的差值即為發(fā)射器至接收器(被測對象)之間的粗碼函數(shù)，該粗碼函數(shù)值組合第一頻率的相位碼，即為接收器(被測對象)的全量位置絕對編碼，第一頻率和第二頻率都在發(fā)射器主振工作頻率范圍之內(nèi)，但是存在一個固定的穩(wěn)定的頻差。
一種基于超聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量裝置，包括主振蕩器、發(fā)射器及發(fā)射器驅(qū)動電路、接收器及接收信號處理電路、相應的邏輯數(shù)字電路、并行碼及串行碼接口電路、微處理器及顯示器等部件，其特征在于主振蕩器與二進制的N+M級計數(shù)器連接，構(gòu)成全量位置編碼基準系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生的基頻信號進入發(fā)射器驅(qū)動電路，經(jīng)初步濾波、選頻放大和電流放大后由測量發(fā)射器發(fā)射，該系統(tǒng)測量通道中的接收器接收到的模擬信號進入測量接收器信號處理電路，經(jīng)前置放大器，限幅放大器及鑒相脈沖形成電路處理后進入全量位置編碼器進行采樣，獲得接收器(被測對象)在連續(xù)聲場中全量位置絕對編碼值，再經(jīng)接口部件及微處理器運算處理后得到接收器(被測對象)相對發(fā)射器位移/距離數(shù)值，其測量結(jié)果送入顯示器顯示或送上位機。
本發(fā)明裝置的發(fā)射器驅(qū)動電路上并聯(lián)有由校正發(fā)射器和校正接收器組成的校正通道，其校正接收器接收的信號進入校正接收器信號處理電路，經(jīng)前置放大器、限幅放大器及鑒相脈沖形成電路處理后，所得到的校正鑒相脈沖作用于校正相位寄存器，通過校正相位寄存器從相位編碼器中采集到校正相位碼，而得到該定長(距離)實時的相位碼，鎖存在校正相位寄存器中，然后將校正通道內(nèi)的相位編碼與測量通道的相位編碼通過接口同時送給CPU進行運算。
本發(fā)明裝置在全量位置編碼器上還接入有零位置數(shù)控制電路和粗碼增量脈沖形成電路，當接收器的信號進入全量位置編碼器時，其粗位碼寄存器中可逆計數(shù)器的置數(shù)端得到粗位編碼器(第二分頻器)的零位波數(shù)碼后立即用高電平封死，并將所取得的相位碼在粗碼增量脈沖形成電路內(nèi)進行邏輯及微分或積分運算，以及時獲得該瞬間(鑒相時刻)粗位碼的增量計數(shù)脈沖。
本發(fā)明裝置在測量接收器信號處理電路和校正接收器信號處理電路的信號入口端分別設置有固定延遲器。
在發(fā)射器驅(qū)動電路中電流放大器的前端設置有升壓放大器并且選頻放大器采用雙T低噪聲運算放大器，測量接收器信號處理電路和校正接收器信號處理電路中的前置放大器采用雙T低噪聲運算放大器。
本發(fā)明方法及裝置的有益效果是1)本發(fā)明的測量原理可以克服和彌補傳統(tǒng)超聲波回波測距法的不足即在檢測時不是用一個超聲傳感器進行發(fā)射和接收的分時控制和間歇測量，而是在對射和反射工作方式時，都是測量連續(xù)的聲場，解決了測量速率的根本問題。輸出相位編碼數(shù)據(jù)率高，可達超聲波工作頻率±相對運動速度/在該介質(zhì)中的傳輸波長的輸出速率，例如對于在氣體中相對運動為1m/s速度的40kHz超聲傳感器，其一幀位置編碼(16位～22位并行碼)的輸出速率達到40kHz±120Hz左右；使測量的響應速度從1秒或另點幾秒，提高到25微秒左右，從而得到該瞬時位置的全量絕對編碼值，而且不必進行A/D轉(zhuǎn)換，就能以一幀二進制并行碼的方式通過接口部件(如8255集成電路)直接送進CPU進行處理。本發(fā)明的波數(shù)(粗位)增量碼(可逆計數(shù)脈沖)由相位碼經(jīng)高速邏輯運算產(chǎn)生，通過增量脈沖在可逆計數(shù)器中的累加，從而在25微秒左右就可得到跟蹤狀態(tài)下的全量絕對位置編碼值。
2)通過本發(fā)明技術(shù)方案中的相位和波數(shù)測量基準，將位置坐標與時序坐標完全映射起來。在一個波長內(nèi)很容易做到等分28或210。本裝置可將在氣體或液體傳輸介質(zhì)中的超聲波波長相位細分到1/28～1/210，例如對于對射式，在空氣中測量動態(tài)位移，分辨率可達0.039～0.0083mm左右；對于反射式，分辨率可達0.02～0.0042mm左右；更主要的是本發(fā)明充分利用超聲傳感器發(fā)射及接收的諧振特性，能量利用率高，因而信噪比高，具有與分辨率相匹配的讀出重復度。
3)本發(fā)明方法在執(zhí)行預定的長度測量程序時，可適當插入在同等環(huán)境中對標準量具如量規(guī)等長度的波數(shù)及相位的檢測和定標(得到分辨率較高的標準量具相位等分總數(shù)值)，并以此為基準數(shù)值，按比例(將被檢測距離或長度的相位等分總數(shù)值)折算成被檢測距離或長度的計量數(shù)值。當然，在時間許可的情況下應先選擇最合理的周期進行平差。此法可免去溫度、氣壓、濕度及氣體成分等參量的修正，因為人為的參數(shù)修正要在現(xiàn)實條件中做到理想化，幾乎是不可能的。本發(fā)明采用自適應及綜合修正的方法，其動態(tài)測量結(jié)果受環(huán)境影響小，算法簡單、可靠，因而測量精度比傳統(tǒng)的回波法要高得多。這種相對智能式實時修正方法是自適應的，全自動的?？蓪⒄`差降低到最低程度。根據(jù)初步試驗，上述主要性能指標的改善都在實踐中得到了驗證。
本發(fā)明技術(shù)方法簡單，使用、安裝、維護方便，工作可靠，可采用適合在氣體和液體內(nèi)工作的低頻端的超聲傳感器，生產(chǎn)成本低，應用范圍廣泛。


圖1是傳統(tǒng)對射式超聲波測距框2是傳統(tǒng)反射式超聲波測距框3是傳統(tǒng)式超聲波測距(回波法)波形4是連續(xù)超聲場中對射式檢測位移/距離原理5是連續(xù)超聲場中反射式檢測位移/距離原理6是在某瞬間接收器的相位碼與它在聲場中的位置關(guān)系示意7是接收信號相對發(fā)射信號的相位差表示接收器在聲場中(發(fā)射聲場零相位瞬間)一個波長內(nèi)的位置圖8是基于超聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量裝置的工作原理9是鑒相式全量位置編碼器結(jié)構(gòu)及功能圖具體實施方式
以下結(jié)合

具體實施方式
，并對本發(fā)明作進一步的理論推導和詳細描述；本發(fā)明的基于超聲波連續(xù)聲場的位移或距離鑒相測量的原理、方法及測量裝置的布局、結(jié)構(gòu)和工作步驟如下
1)對射式布置參見圖4，在測量主通道內(nèi)布置超聲波發(fā)射器5，在另一端布置一個接收器6，其中一個固定，另一個隨測量對象可以作相對運動；為了自適應、綜合修正環(huán)境因素產(chǎn)生的誤差，可布置特定的誤差綜合修正的校正通道，其中發(fā)射器12可用發(fā)射器5的信號同時激勵，接收器13與發(fā)射器12相對固定，而它們之間的距離為設計的固定標準長度(由計量單位配合標定)。發(fā)射器5及發(fā)射器12從啟動時刻起，發(fā)射一個連續(xù)的超聲波(或聲波)序列，二個接收器分別接收該聲場信號并作相應的信號處理。
2)反射式布置參見圖5，在測量主通道內(nèi)，將超聲波發(fā)射器5，與接收器6布置在一邊，并且相對固定，另一個隨測量對象可以作相對運動是一個反射物體(如一面鏡子或一塊光潔的金屬板)，它的測量基準可視作反射體的等效波陣面；同樣為了自適應、綜合修正環(huán)境因素產(chǎn)生的誤差，需布置校正通道，其中發(fā)射器12可用發(fā)射器5的信號同時激勵，接收器13與發(fā)射器12相對固定，相對補償反射板為定長，其中的距離為設計的固定標準長度，其布置(反射、對射均可)位置只要求與測量主通道置于同一環(huán)境中，并且避免突發(fā)性的擾動。發(fā)射器5與發(fā)射器12從啟動時刻起，發(fā)射同一個連續(xù)的超聲波或聲波序列，接收器6及接收器13分別接收相應通道實質(zhì)上是同一聲場的超聲場聲強信號。
此時，發(fā)射器發(fā)出的縱波型式的連續(xù)聲場，超聲場中某一點在某一瞬間(發(fā)射聲場零相位時)所具有的壓強p1，與沒有超聲場存在時同一點的靜態(tài)壓強p0之差叫作該點的聲壓，常用p表示。P＝p1-p0，單位為帕[帕斯卡]，記作pa(1pa＝1N/m2)。
對于平面余弦波為p＝pcAωcos[ω(t-x/2)+π/2] (2)式中，ρ---介質(zhì)的密度，c----介質(zhì)中的波速，A----介質(zhì)質(zhì)點的振幅，ω----介質(zhì)中質(zhì)點振動的圓頻率(ω＝2πf)，Aω---質(zhì)點振動的速度振幅(V＝Aω)，t---時間，x---至波源的距離。
且有|pm|＝|ρcAω|(3)式中，pm---聲壓的極大值。
可見聲壓的絕對值與波速、質(zhì)點振動的速度振幅(或角頻率)成正比。因超聲波的頻率高，所以超聲波比聲波的聲壓大得多。
從公式(2)可見，接收器6在連續(xù)聲場中得到的聲壓信號是上述各參量的函數(shù)，其中在介質(zhì)密度ρ，聲速c，頻率f，介質(zhì)質(zhì)點的振幅A已知的情況下，是時間t及接收器到發(fā)射器或接收器和位于同側(cè)的發(fā)射器與反射目標之間距離的余弦函數(shù)。展開cos[ω(t-x/2)+π/2]函數(shù)，可以得到聲壓ρ與時間t及距離x之間的相位關(guān)系式。
Ir＝I0/rn×e-2αr(4)上式(4)為超聲波在介質(zhì)中傳播的衰減表達式。式中Ir-初始聲強，r-測點離開聲源的距離，α-吸收系數(shù)，反映吸收和散射的性質(zhì)，與聲波頻率有關(guān)。一般來說，頻率越高，α越大，聲波衰減也越快。因此，同樣功率的聲波，高頻聲比低頻聲在空氣和液體介質(zhì)中傳播距離要短得多，所以只要沒有同頻率的超聲干擾，在氣體或液體中位移或距離的測量盡可能采用40kHz低端的超聲波。
由于本技術(shù)方案采用的是鑒相法，對聲壓的強度要求并不苛刻，幅值的衰減與測量精度并不是一一對應的關(guān)系，而僅影響1個或幾個分辨率。但是對測量通道上的信噪比要求還是比較高，特別是穿超時間軸時刻(零相位時刻)，否則會達不到預期的重復度和精度要求。因此在本技術(shù)方案中，采用雙T選頻放大器進行有效地濾波。當然如果精度的設計指標要保持在1個分辨率之內(nèi)，則必須要在接收器之后的前置放大器內(nèi)設計有增益自控功能(AGC)，以保持在整個量程內(nèi)輸出的聲強幅值一致性，從而確保重復度及準確度的一致性。
公式(2)p＝pcAωcos[ω(t-x/2)+π/2]可簡化為p＝Kcos[ω(t-x/2)+π/2](5)式(5)中，K為接收器聲強的綜合系數(shù)。
p＝Kcos[(ω(t-x/2)]cos[π/2]-Ksin[(ω(t-x/2)]sin[π/2]p＝-Ksin[(ω(t-x/2)) (6)當t＝0，2π，4π等與發(fā)射器的聲場同相位時則p＝Ksin(ωx/2)＝Ksin(πfx) (7)f＝c/λ(8)將(8)代入(7)得p＝Ksin(πcx/λ) (9)(9)式的物理意義為接收器接收到的聲壓在發(fā)射器零相位時是與聲速c、波長λ、和位置x乘積的周期性正弦函數(shù)，當c為某個確定值時，聲強是位置量x與波長λ比值的相位關(guān)系而且以波長λ為分布周期(參見圖6)。當發(fā)射器信號與接收器之間的相位差為0°、90°、180°、360°時，相當于接收器位于發(fā)射聲場中波長的起點、1/4波長、1/2波長、3/4波長處(參見圖7)。
在連續(xù)聲場測量過程中，接收器與聲源之間發(fā)生相對位移時，則接收到的振蕩頻率將有變化。當它們之間靠近時，接收信號的頻率就增加，反之則降低。頻移數(shù)量為Δf＝V/λ子 (10)式中，V---相對超聲波傳播方向的運動速度，λ---超聲波波長，Δf為多普勒效應中的頻差。
根據(jù)上述工作原理的介紹，相應的檢量裝置總體布局、功能和電路結(jié)構(gòu)見圖8，因圖面有限，但為了更清楚地表達本發(fā)明的創(chuàng)新思路，特將本發(fā)明的核心部件-邏輯數(shù)字電路即鑒相式全量位置編碼器的結(jié)構(gòu)及功能圖單獨表示在圖9中。
下面對圖8、圖9結(jié)合起來再作一次簡單的綜合說明，從中可得到具體的工作步驟如下1)當裝置通電并啟動時，系統(tǒng)中的由主振蕩器1，相位編碼器2和粗位編碼器3組成的核心電路稱為“全量位置編碼基準部件”開始工作，主振蕩器1象心臟一樣不間斷地輸出主振脈沖(工作頻率為40kHz的傳感器，可采用10.24MHz/40.96MHz晶振)，進入二進制N級同步計數(shù)器即相位編碼器2分頻，主振的頻率應是超聲波工作頻率的1/2n。N為本技術(shù)方案中一個波長λ的細分數(shù)，波長λ與細分數(shù)2n之比為ε，ε為本方案的最高讀出分辨率。
即ε＝λ/2n(11)2)此時通過N級分頻得到預定的超聲傳感器工作頻率F0(基頻)，還要繼續(xù)進行M級分頻即粗位碼編碼器3，二進制的N+M級分頻器成了本電路基準相位系統(tǒng)，它將超聲波測距的長度座標用主振頻率為分辨率(對對射式而言，若是反射式，則分辨率會提高一倍)的時間座標相映射，具備了全量位置編碼基準功能。
此時，基頻(超聲傳感器的工作頻率)的第一路進入分頻系數(shù)為M的第二分頻器即粗位碼編碼器3，其分頻系數(shù)M的數(shù)值取決于設計量程的大小。最大量程為L0，則L0＝λ×2m(12)若是反射式，則ε＝λ/2n+1(13)L0＝λ×2m-1(14)3)從1)相位編碼器2(第一分頻器)進行2n分頻后得到該超聲傳感器的工作頻率F0(基頻)，同時(第二路)進入發(fā)射器驅(qū)動電路4，進行(4-1～4-4)四個步驟的處理。
發(fā)射器驅(qū)動電路4包括以下四個分電路由R、C組成的π型輸入電路4-1進行初步濾波，然后進入選頻放大器4-2進行進一步濾波和放大，電流放大器4-3(跟隨器)的功能是電流放大，在發(fā)射器驅(qū)動電路4中設置有升壓放大器4-4，放大后的電流送入升壓放大器4-4升壓，再送到超聲發(fā)射器5發(fā)射，發(fā)射器就是換能器，將電壓變成機械波-縱波發(fā)射到氣體或液體介質(zhì)聲道中，形成連續(xù)的聲場。采用升壓放大器4-4的目的是因為本技術(shù)方案采用低直流穩(wěn)壓電源供電，因為作為便攜式儀表易用干電池作備用電源，但為提高信噪比，加大發(fā)射信號的電壓和功率是關(guān)鍵措施之一。在發(fā)射器驅(qū)動電路4中的選頻放大器4-2采用雙T低噪聲運算放大器。
4)測量接收器6也是一個換能器，它將接收到的聲強信號逆變換成微小的電壓量。在測量聲道中，從啟動時刻開始，收到第一個超聲回波后，該信號隨即進入接收傳感器的模擬及數(shù)字混合電路即測量接收器信號處理電路7中。該電路由前置放大器7-1、精密限幅放大器7-2、鑒相脈沖形成電路7-3及固定延遲器7-4組成。其中前置放大器7-1也是中心頻率為超聲波傳感器工作頻率的選頻放大器，由RC雙T及低噪聲運算放大器組成，雙T的Q值要恰當，過高會引起自激振蕩，反而不穩(wěn)定，過低則濾波性能較差。為補償介質(zhì)的損耗隨距離的增大而增加，還應具有AGC增益自動控制功能，可得到全量程范圍內(nèi)的穩(wěn)定的信號幅值，以進一步提高全量程范圍內(nèi)的鑒相精度。精密限幅放大器7-2進一步放大接收器信號，其放大倍數(shù)是根據(jù)噪聲門限計算好的，且應保持工作期間的穩(wěn)定性，以保證分辨率和重復度的需求。鑒相脈沖器7-3是形成精密鑒相脈沖的電路，其作用是對接收到的聲壓信號進行RC微分處理，從限幅相位波中檢出鑒相脈沖，與主振脈沖構(gòu)成鑒相與門。鑒相脈沖的作用是從粗位編碼器2及相位編碼器3中瞬時取出全量絕對位置編碼值。為了提高信噪比、得到穩(wěn)定的波數(shù)粗碼和相位精碼，即全量的絕對/準絕對位置編碼，我們根據(jù)測量聲道的實情，延遲固定個(如W個)鑒相脈沖，固定延遲器7-4設置在測量接收器信號處理電路7的信號入口湍。該固定延遲器7-4是用IC集成塊構(gòu)成。對于工作頻率為40kHz的超聲傳感器來說，固定的延遲時間為TγTγ＝25μs×W (15)第一個回波的低信噪比延遲到第W個基頻周期，此時測量聲道已建立起了穩(wěn)定的超聲場，對于40kHz超聲傳感器而言，延遲16個波即達到了超聲傳感器諧振狀態(tài)，接收器6得到的聲場信號與單個脈沖相比已具有良好的信噪比。用此時的鑒相脈沖觸發(fā)相位編碼器2(第一分頻器)和粗位編碼器3(第二分頻器)就能得到良好、穩(wěn)定、準確的全量絕對/準絕對位置編碼值(零位位置編碼)。
測量接收器信號處理電路7和校正接收器信號處理電路14中的前置放大器7-1、14-1均是雙T低噪聲運算放大器。
具有良好的抗干擾能力及優(yōu)質(zhì)的信噪比。
5)全量位置編碼器8是由二部分電路組成相位鎖存器8-1，可以是基本型的8位，也可以是高分辨率的10位碼。粗位可逆計數(shù)器8-2，基本型為8位，擴展型為12位?？梢姕y量接收器信號處理電路7最終輸出的鑒相脈沖對相位編碼器2和粗位編碼器3的作用，可實時獲得啟動時刻的零位絕對位置編碼，以及跟蹤狀態(tài)下的每周期的相位碼在8-1中暫存。
6)啟動時刻得到鑒相脈沖后，必須立即完成二件即時性工作第一是作用于粗位碼寄存器8-2中可逆計數(shù)器的置數(shù)端從而得到粗位編碼器3(第二分頻器)的零位波數(shù)碼，隨后須立即用高電平封死，以便轉(zhuǎn)入高速跟蹤狀態(tài)。只有這樣，才能得到每隔25μs(對40kHz超聲傳感器而言)左右一幀的位置編碼值(16位～22位二進制并行碼)。此功能由零位置數(shù)控制電路10完成。零位置數(shù)控制電路10實際上是一個RS觸發(fā)器，一端由人為的或微處理發(fā)出的零位置數(shù)信號所控制，另一端由置數(shù)脈沖稍作延遲后自鎖。除非人為或程序中安排重新啟動取零位值，或進行粗碼準確性校驗再開啟。
7)在進行步驟6)的第一件工作的同時，第二件工作是將所取得的相位碼在粗碼增量脈沖形成電路9內(nèi)進行邏輯運算。該電路實際是一個由高速邏輯電路和二個RC微分或積分電路組成，其中一個在一定的條件下會產(chǎn)生加脈沖，另一個在另一種條件下會產(chǎn)生減脈沖。其工作原理十分簡單，我們知道，只有接收器6相對發(fā)射器5產(chǎn)生相對運動時，才有可能發(fā)生粗碼加1或減1的波數(shù)操作。它的邏輯運算規(guī)則是當每隔25μs(對40kHz超聲傳感器而言)左右都會得到一幀(8位或10位)相位碼，如果現(xiàn)在一幀相位碼與上一幀相比，從第一象限移動到另一個波長位置的第四象限，則說明粗碼應減1，意味著接收器所在位置從一個波長退還到上一個波長范圍之內(nèi)；若是從第四象限進到第一象限，則粗碼應加1，說明是接收器所在位置從這個波長范圍前進到前一個波長范圍；其余狀態(tài)則粗碼不加不減，意味著接收器所在位置在同一個波長范圍內(nèi)移動或處于相對靜止狀態(tài)。這種粗位增量碼的產(chǎn)生，若是對射式可以適應以下最高運動速度V0V0＝(1/4)λ×40kHz (16)若以空氣為介質(zhì)，40kHz的超聲傳感器理論上可適應80m/s的最高運動速度。
對于反射式V0＝(1/4)λ×40kHz/2(17)仍以空氣介質(zhì)為例，對于反射式40kHz的超聲傳感器理論上可適應40m/s的最高運動速度。
其實單純從邏輯電路上處理，我們可以擴展到(3×λ/8)×F0或(7×λ/16)×F0的運動速度，不過此時可測量的最高速度已不受該因素的制約，而是受到波聲傳感器工作頻帶的制約，例如對于R/T-40這種超聲傳感器來說，它的-3dB頻帶Δf＝±1kHz，則V0＝λ×Δf (18)對于反射式而言V0＝λ×Δf/2 (19)則可測的最高運動速度在對射方式時為V0＝8.5m/s，在反射方式時為V0＝4.25m/s左右?？梢詮挠嬎惬@得，此時反射方式工作時動態(tài)分辨率仍可保持為0.1mm左右，這種動態(tài)響應是一般位移傳感器難以達到的。
在精密的動態(tài)測控系統(tǒng)中，最苛刻的要求是保證最高分辨率的情況下，所能達到的最高運動速度V*，對精密型波長的細分數(shù)為1024而言，所能達到的最高運動速度V*V*＝(λ/210)×F0(20)由式(20)計算可得V*為160mm/s。這個指標也是一般位移傳感器難以達到的，而在這種工作原理下是可以輕而易舉達到的。
8)本技術(shù)方案操作到這里，已經(jīng)得到了接收器6在連續(xù)聲場中的全量位置絕對編碼值，它是16～22位二進制并行碼，刷新速率為40kHz左右。為了保證本發(fā)明方案的設計精度，尚需進行綜合校正，排除環(huán)境因素的影響。具體的方法和操作是在所設置的校正通道(第二測量通道)內(nèi)，安排了另一個校正發(fā)射器12，用同一電路即發(fā)射器驅(qū)動電路4驅(qū)動，在其對應位置處設置一個與其相對位置固定且已知物理距離的校正接收器13。接收器13有著與測量接收器6同樣的模擬和數(shù)字混合電路，即校正接收器信號處理電路14，其處理功能與測量接收器信號處理電路7完全相同。所得到的校正鑒相脈沖同樣作用于全量位置基準系統(tǒng)中的相位編碼器2，而得到該定長(距離)的相位碼，鎖存在校正相位寄存器11中。因為環(huán)境因素造成的誤差是有范圍的，一般來說，對于1m以內(nèi)的定長A，一般不會超過±1/2個波長即±4.25mm。所以該校正通道的粗碼的產(chǎn)生和實時輸入CPU15是不必要的。我們只要將這8～10位校正相位碼與第一通道的測量編碼同時送給CPU微處理器15即可。
9)并行接口與CPU微處理器15按程序接收到第一通道的測量結(jié)果即全量位置絕對編碼值C、D和校正用的定長A的相位碼B后按如下算法解算第一步CPU微處理器15根據(jù)運動的速度和用戶要求選取平差周期T(采樣時根據(jù)運動速度自動剔除不合格數(shù)據(jù))，其中A為定長，單位為mm，B為8位或10位二進制相位碼(根據(jù)型號而定)，L為被測對象的位置編碼值，L＝C+D(注意小數(shù)點要對準)其中C為被測對象的8位或12位測量粗碼(波數(shù)值)，D為8位或10位被測對象的相位碼值。
＝∑(Ci+Di)/N+W(F) (21)式(21)中，[L]為T周期內(nèi)N次平均值，+W(F)表示補償零點可逆計數(shù)器在啟動時刻粗碼置數(shù)時固定延遲了W個周期，在誤差修正并解算時將其補上。W(F)表示是以十六進制數(shù)系示的W值。
實時標準長度的絕對編碼值應為[A]＝A0+∑Bi/N (22)式(22)中，A為十進制數(shù)定長，單位為毫米，A0為該定長A的二進制粗位碼值，在通常環(huán)境下是不會變化的，Bi為實測的標準定長在此環(huán)境下的相位碼(可正可負)，即一個波長中的尾數(shù)，它會隨實測環(huán)境的變化而有所變動。[A]即為在此環(huán)境中的定長A以二進制數(shù)表達的編碼值。它含有環(huán)境因素的影響程度。
第二步解算，算法為L＝{[L]/[A]}×A (23)式(23)表示所測到的[L]數(shù)據(jù)編碼與標準定長A在實時環(huán)境中的測量值相除，就可以消除環(huán)境變動誤差，成為一個相對測量的比例值，此時再乘上標準長度，就可求出真實的測量值了。當然為了獲得最佳修正效果，應該將測量聲道和校正聲道同時進行某種有效的屏蔽或消聲處理，防止偶然因素的干擾，上述校正效果已在試驗裝置上得到了驗證。
10)CPU微處理器及并行接口15并行傳輸這些位置編碼到CPU，處理解算后的最終結(jié)果送入LCD或LED顯示器及通過RS422或RS232接口輸出到上位機，供系統(tǒng)使用。(可組成多點同步測量系統(tǒng))。
本技術(shù)方案在實際應用中①可以根據(jù)用戶不同的要求局部采用本技術(shù)方案中不同的技術(shù)措施。例如，在機加工中，各類需要高速控制的機床就可簡略步驟6)中啟動時刻可逆計數(shù)器置數(shù)(零位粗碼值)操作。而改用在機床上設置特定點人工置數(shù)的方法來達到，因為8.5mm的波長區(qū)間進行人為置數(shù)是非常容易實現(xiàn)的。又如，在各種油缸行程測量的過程中，并不需要零點幾或零點零幾毫米的測量精度，而僅需要較高的動態(tài)響應，此種應用可以省略第二個校正通道采取簡化的溫度和氣壓修正法即可。
②在本發(fā)明的基礎上，我們還可以引伸到用頻差法從二組相位碼計算出粗位編碼來。在動態(tài)要求不太高的場合下，我們可以先用超聲傳感器的第一頻率工作，在一個大的測量周期內(nèi)得到一組相位碼B1，然后利用模擬電子開關(guān)關(guān)閉第一頻率，接入第二頻率，第一頻率和第二頻都在超聲傳感器工作頻率范圍之內(nèi)，但是存在一個固定且非常穩(wěn)定的頻差，除增加一個電子開關(guān)外可共用測量通道的硬件。
Δf＝F1-F2(24)如果在此期間被測對象沒有發(fā)生運動，但是此時得到的第二頻率的相位碼已經(jīng)不是原來的編碼值B1，而是另一個相位編碼B2，它們之差主要是被測對象所在的位置以及環(huán)境測量誤差造成的。如果環(huán)境測量誤差可以忽略或及時進行修正的話，那么ΔB＝B1-B2(25)在這里，ΔB的產(chǎn)生，完全因為是被測對象所在的位置造成的，據(jù)此我們可以解算出被測對象所在位置的粗位編碼值。將該粗位編碼與第一頻率的相位碼(精碼)粗精組合，也能得到全量位置絕對編碼。
如果要求很高的動態(tài)響應，則可在第二通道內(nèi)進行，完全可以達到第一頻率一樣高的鑒相速率，將B1、B2解算并與B1組合，可以得到答案相同的絕對位置編碼值，這樣避開了第一頻率在跟蹤狀態(tài)必須得到粗位計數(shù)脈沖和在啟動時必須得到此時零點粗位編碼的操作。
設此時的位置編碼值為Li，在F1和F2的工作頻率下Li＝λ1[M1+N1] (26)Li＝λ2[M2+N2] (27)式(26)中，λ1為第一頻率的波長值，M1為λ1的波長整數(shù)值，N1為λ1的波長小數(shù)值；式(27)中的標識符定義類推。如果在短暫測量瞬間，距離無變化，則Li不變。因為λ1、λ2已知，N1、N2可以測出，則M1、M2之間的函數(shù)關(guān)系可以通過式(26)、(27)解算出來。如果量程設在二個波長的公倍數(shù)之內(nèi)，則M1、M2不必測量就可以解算出來，如果量程較大，超出公倍數(shù)之外，則為多值函數(shù)，可用其他輔助方法將其判別出來。
此種工作原理和檢測方法稱為頻差法絕對位置編碼。
例如，設超聲波傳感器的第一頻率F1＝40kHz；第二頻率F2＝40.256kHz。則根據(jù)公式(22)有Δf＝F1-F2＝-256Hz根據(jù)公式(25)ΔB＝B1-B2可以很簡要地證明，ΔB經(jīng)CPU處理后與被測對象的粗位編碼值相關(guān)。
因此，在此特殊情況下，被測對象的全量位置絕對編碼值L＝(B1-B2)×28+B2(26)公式(26)意味著在如果在測量過程中，反射物的等效波陣面不連續(xù)即急劇變化，進不了“跟蹤狀態(tài)”時而又需要高速測量時，可用此解決方案。所付出的代價是增加第二測量通道，但可以只采集這二個通道的相位編碼，由CPU解算出被測對象的粗位碼，此外需要二個穩(wěn)定的在超聲傳感器工作頻率范圍內(nèi)且有一定頻差的晶體振蕩器。
③經(jīng)理論和試驗證明，動態(tài)行程檢測可以利用穩(wěn)定的液體介質(zhì)，能在測量過程中得到穩(wěn)定的動態(tài)測量值。只要合理標定后，誤差易修正和控制，還可簡化測量通道，適應于使用在較惡劣環(huán)境。不足的是相應的分辨率較低(如水中要比在空氣中低4倍左右)，當然這可以用更高頻率的電路彌補，所以更高速的IC電路在這種場合下使用是有用的。
本發(fā)明測量方案及裝置在測量原理上相對傳統(tǒng)的回波法作了根本性的變動，為提高其精度、重復度、分辨率、測量量程等主要技術(shù)指奠定了基礎。但是要在工程實施過程中達到預定的效果，還必須應用相關(guān)領(lǐng)域和專業(yè)的工藝、技巧和選擇合適、可靠的元器件以及質(zhì)量管理體系。影響使用最終測量精度的因素很多如晶體振蕩器的標定值與超聲傳感器工作頻率的匹配性，石英晶體的穩(wěn)定度，測量聲道與補償聲道的屏蔽性，傳感器布局的合理性，標定操作的慎密性，所選電子元器件的高速性能指標、隨溫度和電壓變化的穩(wěn)定性，特別是R、C的選取是非常有講究的。在系統(tǒng)設計方面還要考慮到放大系數(shù)的分配、信噪比的分配、邏輯運算時碼制的選擇，采樣時間的選擇，串并口的合理使用以及組成測量系統(tǒng)時軟件的配置等等。但這些都是屬于常規(guī)技術(shù)和技巧，已不屬于本發(fā)明論述的范圍了。但是，在實施中往往是“細節(jié)決定成敗”，不可以掉以輕心。
總之，本發(fā)明的實施可在原技術(shù)的基礎上將產(chǎn)品的動態(tài)特性、分辨率、重復度、準確度等主要技術(shù)指標提高1～2個數(shù)量級，在某種程度上成本反而有所降低(如可大量應用較低價格的如40kHz頻率的超聲傳感器和中、大規(guī)模的數(shù)字集成模塊)。所以大大開拓了超聲測量的應用市場1)可應用于旋轉(zhuǎn)機械軸系的故障診斷、機械振動中頻率和振幅的實時測量；各種量程的行程動態(tài)測量(如機床、油缸、閘門)；2)大量的液位、水深、物料檢測和人員不宜接觸的非接觸位置/位移檢測；防爆環(huán)境下中、小量程燃料液面的監(jiān)控；3)可檢測煤礦、地下礦井等危險場所氣體的不良成份；潛艇等密閉空間環(huán)境監(jiān)測；各種燃油及需要準確鑒定液體密度的測量；4)構(gòu)成連通管系統(tǒng)后可長期預測、預報山體滑坡、自動錄制大型建筑的地質(zhì)沉降、傾斜等健康監(jiān)測數(shù)據(jù)；5)大量的工業(yè)、商業(yè)自動化中位置、長度、位移等實時檢測；6)用于軍用、民用接近傳感系統(tǒng)；汽車自動駕駛儀、移動機器人感知系統(tǒng)及環(huán)境探測；安防工程等等。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲波或聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量方法，其特征在于包括以下步驟1)由發(fā)射器在氣體或液體介質(zhì)內(nèi)發(fā)射連續(xù)的超聲波，在其聲場測量范圍內(nèi)設置對射/反射接收器(包括反射物體)接收連續(xù)超聲波即啟動時刻首個回波以后的聲場(以下略稱連續(xù)聲場)；2)采用分頻器將所接收的連續(xù)超聲波的每一波長按相位等分成至少是百位數(shù)的份數(shù)，并將接收器所在位置的低位碼(精碼)即相位碼以相應的二進制編碼值表示；3)將接收器(被測對象)所在位置接收到連續(xù)超聲波在基頻(超聲波工作頻率)鑒相時刻(規(guī)定信號從負向正穿越時間軸(反之亦可)的瞬間)不足一個整波長的波形信號以相位等分的份數(shù)作為波數(shù)的小數(shù)(相位碼)表示，其波數(shù)(粗碼)的增量由相位碼進位或退位得到，則被測對象的全量位置絕對編碼即為相位碼+粗位增量碼+啟動時刻獲取的粗碼(波數(shù))；4)以粗碼加上相位碼即形成全量位置絕對編碼值，再乘以發(fā)射器波長(修正環(huán)境參量后)的方式，得到發(fā)射器(5)至接收器(6)(被測對象)之間的位移/距離數(shù)值，或者；5)先按步驟1)——步驟3)中的方法測量一標準量具長度的全量位置絕對編碼值，將所測得的長度編碼值(在這里是隨環(huán)境因素變化著的)作為基準(分母)，再測量被測對象的全量位置絕對編碼值(在同一測量環(huán)境中)并以此作為分子，將分子與分母相除所得到的比值再與標準量具長度的數(shù)值相乘，即為發(fā)射器至接收器(被測對象)之間的位移/距離數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲波或聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量方法，其特征在于步驟2)中采用N+M級計數(shù)器(2)將接收到連續(xù)超聲波或單個回波的每一波長按相位等分成256～1024份，并以多位的二進制整數(shù)和小數(shù)位表示全量位置絕對編碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲波或聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量方法，其特征在于步驟3)中先由發(fā)射器(5)發(fā)射連續(xù)超聲波作為啟動，由接收器(6)(被測對象)得到一個從啟動時刻到收到第一回波，并延遲了固定周期后產(chǎn)生一個信噪比得到改善了的鑒相脈沖，獲得的全量位置絕對編碼值來作為該次測量的零點，并以此計算發(fā)射器(5)至接收器(6)(被測對象)之間的絕對距離值(需補償相應的延遲時間值)。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲波或聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量方法，其特征在于步驟3)中發(fā)射器(5)先用第一頻率工作，接收器(6)在一個周期內(nèi)得到一組相位碼B1，然后關(guān)閉第一頻率，發(fā)射器(5)用第二頻率工作，接收器(6)在一個周期內(nèi)得到另一組相位碼B2，相位碼B1與相位碼B2的差值即為發(fā)射器(5)至接收器(6)(被測對象)之間的粗碼函數(shù)，該粗碼函數(shù)值組合第一頻率的相位碼，即為接收器(被測對象)的全量位置絕對編碼，第一頻率和第二頻率都在發(fā)射器主振工作頻率范圍之內(nèi)，但是存在一個固定的穩(wěn)定的頻差。
5.一種基于超聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量裝置，包括主振蕩器、發(fā)射器及發(fā)射器驅(qū)動電路、接收器及接收信號處理電路、相應的邏輯數(shù)字電路、并行碼及串行碼接口電路、微處理器及顯示器等部件，其特征在于主振蕩器(1)與二進制的N+M級計數(shù)器(2、3)連接，構(gòu)成全量位置編碼基準系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生的基頻信號進入發(fā)射器驅(qū)動電路(4)，經(jīng)初步濾波(4-1)、選頻放大(4-2)和電流放大(4-3)后由測量發(fā)射器(5)發(fā)射，該系統(tǒng)測量通道中的接收器(6)接收到的模擬信號進入測量接收器信號處理電路(7)，經(jīng)前置放大器(7-1)，限幅放大器(7-2)及鑒相脈沖形成電路(7-3)處理后進入全量位置編碼器(8)進行采樣，獲得接收器(6)(被測對象)在連續(xù)聲場中全量位置絕對編碼值，再經(jīng)接口部件及微處理器(15)運算處理后得到接收器(6)(被測對象)相對發(fā)射器位移/距離數(shù)值，其測量結(jié)果送入顯示器(16)顯示或送上位機。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于超聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量裝置，其特征在于發(fā)射器驅(qū)動電路(4)上并聯(lián)有由校正發(fā)射器(12)和校正接收器(13)組成的校正通道，其校正接收器(13)接收的信號進入校正接收器信號處理電路(14)，經(jīng)前置放大器(14-1)、限幅放大器(14-2)及鑒相脈沖形成電路(14-3)處理后，所得到的校正鑒相脈沖作用于校正相位寄存器(11)，通過校正相位寄存器(11)從相位編碼器(2)中采集到校正相位碼，而得到該定長(距離)實時的相位碼，鎖存在校正相位寄存器(11)中，然后將校正通道內(nèi)的相位編碼與測量通道的相位編碼通過接口同時送給CPU(15)進行運算。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于超聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量裝置，其特征在于在全量位置編碼器(8)上還接入有零位置數(shù)控制電路(10)和粗碼增量脈沖形成電路(9)，當接收器(6)的信號進入全量位置編碼器(8)時，其粗位碼寄存器(8-2)中可逆計數(shù)器的置數(shù)端得到粗位編碼器(3)(第二分頻器)的零位波數(shù)碼后立即用高電平封死，并將所取得的相位碼在粗碼增量脈沖形成電路(9)內(nèi)進行邏輯及微分或積分運算，以及時獲得該瞬間(鑒相時刻)粗位碼的增量計數(shù)脈沖。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于超聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量裝置，其特征在于在測量接收器信號處理電路(7)和校正接收器信號處理電路(14)的信號入口端分別設置有固定延遲器(7-4、14-4)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種基于超聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量裝置，其特征在于在發(fā)射器驅(qū)動電路(4)中電流放大器(4-3)的前端設置有升壓放大器(4-4)并且選頻放大器(4-2)采用雙T低噪聲運算放大器，測量接收器信號處理電路(7)和校正接收器信號處理電路(14)中的前置放大器(7-1、14-1)采用雙T低噪聲運算放大器。
全文摘要
一種基于超聲波或聲波連續(xù)聲場鑒相原理的位移/距離測量方法及其裝置，可在超聲或聲吶傳感器工作頻率的周期內(nèi)將接收器所接收到的聲壓波長按相位等分成至少是28～210細分數(shù)，并在此相位碼的基礎上經(jīng)邏輯運算得到粗位碼(波數(shù))的增量計數(shù)脈沖。輸出數(shù)據(jù)率可高達40kHz(即超聲波傳感器的工作頻率)左右。信噪比高，重復度好，測量結(jié)果受環(huán)境影響小，可免去溫度、氣壓、濕度等參量的修正。測量速度、分辨率、重復度及準確度與傳統(tǒng)的回波法相比可提高1－2個數(shù)量級?？捎糜诟咚傥灰频膶崟r測控，也可兼容靜態(tài)或緩慢運動的位置測量，從而拓寬了超聲波或聲波的位移/距離測量的應用領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。
文檔編號G01S15/32GK1746700SQ20051001957
公開日2006年3月15日 申請日期2005年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月11日
發(fā)明者汪柏年 申請人:汪柏年