一種提高超聲波位移測(cè)量精度的檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種提高超聲波位移測(cè)量精度的檢測(cè)方法，包括一套超聲波位移測(cè)量機(jī)構(gòu)和一套超聲波波長(zhǎng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)以及基于相位差的位移測(cè)量算法；由超聲波位移測(cè)量機(jī)構(gòu)獲取位移測(cè)量值，再通過(guò)超聲波波長(zhǎng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)對(duì)超聲波波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正；由于位移測(cè)量值和波長(zhǎng)修正值是通過(guò)測(cè)量超聲波電信號(hào)之間的相位差實(shí)現(xiàn)的，因而提高相位檢測(cè)精度對(duì)提高位移測(cè)量精度是至關(guān)重要的；為消除超聲波電信號(hào)中的直流偏置對(duì)過(guò)零點(diǎn)相位檢測(cè)的影響，在數(shù)據(jù)處理單元中的相位檢測(cè)算法里，對(duì)相鄰的超聲波電信號(hào)采樣值進(jìn)行了差值計(jì)算，再對(duì)不同的相鄰采樣值的差值進(jìn)行了比值計(jì)算，由此獲取的相位檢測(cè)值精度大幅提高；該項(xiàng)發(fā)明可應(yīng)用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及大尺寸測(cè)量領(lǐng)域中。
【專利說(shuō)明】一種提高超聲波位移測(cè)量精度的檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間坐標(biāo)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種提高超聲波位移測(cè)量精度的檢 測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及關(guān)鍵技術(shù)，是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平以及衡量一個(gè)國(guó)家綜 合實(shí)力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的位移測(cè)量大多是通過(guò)光柵實(shí)現(xiàn)的，由于受到導(dǎo)軌直 線度的影響，位移測(cè)量存在著軸線方向上的測(cè)量誤差，而且光柵位移測(cè)量系統(tǒng)安裝和調(diào)試 非常復(fù)雜，對(duì)導(dǎo)軌的要求也非常苛刻。采用更加簡(jiǎn)單且對(duì)導(dǎo)軌直線度要求不高的位移測(cè)量 方式，是降低坐標(biāo)測(cè)量機(jī)成本，拓寬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用范圍所需解決的問(wèn)題。
[0003] 目前，對(duì)如何提高超聲波測(cè)距精度以及如何將超聲波測(cè)距技術(shù)應(yīng)用于大尺寸測(cè)量 的研究也越來(lái)越多。將超聲波測(cè)距技術(shù)應(yīng)用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，既有超聲波測(cè)距的本身特點(diǎn) 所具有的優(yōu)勢(shì)，如在一定的可視范圍內(nèi)，測(cè)距不受坐標(biāo)測(cè)量機(jī)導(dǎo)軌直線度的影響，也有超聲 波位移測(cè)量精度需要大幅提升的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種提高超聲波位移測(cè)量精度的 檢測(cè)方法。
[0005] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種提高超聲波位移測(cè)量精度的檢測(cè)方法，包括有超聲波位移測(cè)量機(jī)構(gòu)、超聲波 波長(zhǎng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)以及基于相位差的位移測(cè)量方法；所述的超聲波位移測(cè)量機(jī)構(gòu)包括有固定平 臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)、兩個(gè)超聲波發(fā)射傳感器一、二和兩個(gè)超聲波接收傳感器一、二，將所述的超聲 波發(fā)射傳感器一和超聲波發(fā)射傳感器二背靠背安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，將所述的超聲波接收傳 感器一、二安裝在固定平臺(tái)的兩端，兩只超聲波發(fā)射傳感器一、二和兩只超聲波接收傳感器 一、二所在振動(dòng)面的中心法線在一條直線上，通過(guò)檢測(cè)兩只超聲波接收傳感器一、二響應(yīng)電 信號(hào)之間的相位差，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)位移量的測(cè)量；所述的超聲波波長(zhǎng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)包括有超 聲波發(fā)射傳感器三和超聲波接收傳感器三，將超聲波發(fā)射傳感器三和超聲波接收傳感器三 安裝在固定平臺(tái)的兩端，超聲波發(fā)射傳感器三和超聲波接收傳感器三所在振動(dòng)面的中心 法線在一條直線上，通過(guò)檢測(cè)超聲波發(fā)射傳感器三的激勵(lì)電信號(hào)與超聲波接收傳感器三的 響應(yīng)電信號(hào)之間相位差的變動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波波長(zhǎng)的校準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)位移測(cè) 量誤差的實(shí)時(shí)修正；所述的基于相位差的位移測(cè)量方法包括有A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理單 元，首先通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)各個(gè)超聲波電信號(hào)進(jìn)行等間隔A/D采樣，采樣值通過(guò)數(shù)字運(yùn)算方 式獲取兩路超聲波信號(hào)相位差值，所述的數(shù)字運(yùn)算方式是在數(shù)據(jù)處理單元中首先對(duì)相鄰采 樣值進(jìn)行差值計(jì)算，用于消除超聲波電信號(hào)采樣值中的直流偏置對(duì)相位測(cè)量的影響，再對(duì) 兩組不同相鄰采樣值的差值進(jìn)行比值計(jì)算，求解出每一路的相位值，最后得到兩路相位差 值，所述的位移測(cè)量值與相位差僅存在一個(gè)比例系數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量相位差，得到所述的位 移測(cè)量值。
[0007] 所述的基于相位差的位移測(cè)量方法包括以下步驟：
[0008] (1)超聲波接收傳感器一處的超聲波電信號(hào)為U，超聲波發(fā)射傳感器一、二、三處 的超聲波電信號(hào)為X，超聲波接收傳感器三處的超聲波電信號(hào)為y，超聲波接收傳感器二處 的超聲波電信號(hào)為V，首先對(duì)四處超聲波電信號(hào)u、v、x、y進(jìn)行等間隔A/D采樣，以獲取相鄰 時(shí)刻 =?「Δ?、--+2 = 1^+2厶1：、1:卜2 =?「2Δ1：的采樣值UpiVpUH、 U? +9 Λ U1--QJ Vi、Vi+1、Vi-1、Vi+9、Vi-9 ? Xi、Xi+1、Xi-1、Xi+9、Xi-9 ? Yi Λ Yi+1 Λ Yi-1 Λ Yi+9 Λ Yi-9 :

【權(quán)利要求】
1. 一種提高超聲波位移測(cè)量精度的檢測(cè)方法，其特征在于：包括有超聲波位移測(cè)量機(jī) 構(gòu)、超聲波波長(zhǎng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)以及基于相位差的位移測(cè)量方法；所述的超聲波位移測(cè)量機(jī)構(gòu)包 括有固定平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)、兩個(gè)超聲波發(fā)射傳感器一、二和兩個(gè)超聲波接收傳感器一、二，將 所述的超聲波發(fā)射傳感器一和超聲波發(fā)射傳感器二背靠背安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，將所述的超 聲波接收傳感器一、二安裝在固定平臺(tái)的兩端，兩只超聲波發(fā)射傳感器一、二和兩只超聲波 接收傳感器一、二所在振動(dòng)面的中心法線在一條直線上，通過(guò)檢測(cè)兩只超聲波接收傳感器 一、二響應(yīng)電信號(hào)之間的相位差，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)位移量的測(cè)量；所述的超聲波波長(zhǎng)校準(zhǔn)機(jī) 構(gòu)包括有超聲波發(fā)射傳感器三和超聲波接收傳感器三，將超聲波發(fā)射傳感器三和超聲波接 收傳感器三安裝在固定平臺(tái)的兩端，超聲波發(fā)射傳感器三和超聲波接收傳感器三所在振動(dòng) 面的中心法線在一條直線上，通過(guò)檢測(cè)超聲波發(fā)射傳感器三的激勵(lì)電信號(hào)與超聲波接收傳 感器三的響應(yīng)電信號(hào)之間相位差的變動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波波長(zhǎng)的校準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)平 臺(tái)位移測(cè)量誤差的實(shí)時(shí)修正；所述的基于相位差的位移測(cè)量方法包括有A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù) 處理單元，首先通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)各個(gè)超聲波電信號(hào)進(jìn)行等間隔A/D采樣，采樣值通過(guò)數(shù)字 運(yùn)算方式獲取兩路超聲波信號(hào)相位差值，所述的數(shù)字運(yùn)算方式是在數(shù)據(jù)處理單元中首先對(duì) 相鄰采樣值進(jìn)行差值計(jì)算，再對(duì)兩組不同相鄰采樣值的差值進(jìn)行比值計(jì)算，求解出每一路 的相位值，最后得到兩路相位差值，所述的位移測(cè)量值與相位差僅存在一個(gè)比例系數(shù)關(guān)系， 通過(guò)測(cè)量相位差，得到所述的位移測(cè)量值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高超聲波位移測(cè)量精度的檢測(cè)方法，其特征在于：所 述的基于相位差的位移測(cè)量方法包括以下步驟： (1)超聲波接收傳感器一處的超聲波電信號(hào)為u，超聲波發(fā)射傳感器一、二、三處的超 聲波電信號(hào)為X，超聲波接收傳感器三處的超聲波電信號(hào)為y，超聲波接收傳感器二處的超 聲波電信號(hào)為V，首先對(duì)四處超聲波電信號(hào)u、v、x、y進(jìn)行等間隔A/D采樣，以獲取相鄰時(shí)刻 t"ti+1 =h+Δt、?η=Δt、ti+2 =t+2Δt、1:卜2 =t「2Δt的采樣值U"ui+1、Uh、ui+2、 Ui-2，Vi、Vi+1、Vi-1、Vi+2、Vi-2，Xi、Xi+1、Xi-1、Xi+2、Xi-2，Yi、Yi+l、Yi-1、Yi+2、Yi-2 : Ui = A1Sin (ωtj+C1 (I) ui+1 = A1Sin (ω t±+ ω Δ t) +C1 (2) Ui-i= A1Sin (ω t「ω Δ t) +C1 (3) ui+2 = A1Sin (ω tj2 ω Δ t) +C1 (4) Ui-2 = A1Sin (ω t「2 ω Δ t) +C1 (5) Vj=AzSin (ωφ) ^Cz (6) ?\-^=/}:8?η(ω?+ωΑ?-^φ) +C2 (7) ν:-Azsτ η (ωt:-ωΑ ?^φ-)^(： (8) r:乂η (a;t.十2ωΑ t+p:) +6: (9) ν：^A2S? η(ω Tr2 ωΑΓ+ ) +C (10) Xi = B1Sin (ωtj+D1 (11) xi+1 = B1Sin (ω tj ω Δ t)+D1 (12) Xi-i= B1Sin (ω t「ω Δ t)+D1 (13) xi+2 =B1Sin(ωh+2ωΔt)+D1 (14) xi-2=B1Sin(ω---2ωAt)+D1 (15) η (ωτ+φ)+/1 (16) r, 1η(ω?+ωΑ ?+φ.)+Ζλ (17) _γ ,=Asiη(ω?^αΑ?+φ) +?), (18) _.r,- i η (Γ,+2ωΑ ?+ φ)+/X (19) J.i η (--：-2 ωΑ ?+ φ) +/λ (20) 式（1)至式（20)中的i為采樣點(diǎn)，i為整數(shù)值；ω為超聲波頻率；At為A/D采樣的時(shí) 間間隔；W為超聲波電信號(hào)u、V之間的相位差，ft為超聲波電信號(hào)X、y之間的相位差；Ap A2、B2為四處的超聲波電信號(hào)u、V、X、y的幅值；&、C2、DpD2為四處的超聲波電信號(hào)u、 v、x、y的直流偏置，這種直流偏置是引起超聲波電信號(hào)過(guò)零點(diǎn)相位檢測(cè)的誤差源，需要在算 法中進(jìn)行消除； (2)在數(shù)據(jù)處理單元中，通過(guò)對(duì)式（1)至式（5)以及式（6)至式（10)相鄰采樣值的差 值運(yùn)算，消除了直流偏置C1和C2對(duì)相位檢測(cè)的影響，再通過(guò)比值運(yùn)算，獲取了超聲波電信號(hào) u、V之間的相位差.5
式（21)和式（22)中的tarTH)為反正切函數(shù)； 同理，通過(guò)對(duì)式（11)至式（15)以及式（16)至式（20)相鄰采樣值的差值運(yùn)算，消除了 直流偏置D1和D2對(duì)相位檢測(cè)的影響，再通過(guò)比值運(yùn)算，獲取了超聲波電信號(hào)X、y之間的相 位差托：
或·
式（21)至式（24)是在超聲波頻率ω與A/D采樣間隔Λt之積ωΛt為一恒定值條 件推導(dǎo)出來(lái)的； 同理，可以得到超聲波電信號(hào)的幅值A(chǔ)pA2、B2，超聲波電信號(hào)的直流偏置Q、C2、DpD2，以及超聲波的頻率ω; (3)在數(shù)據(jù)處理單元中，計(jì)算移動(dòng)平臺(tái)的位移值d，其中兩處超聲波電信號(hào)u、V之間的 累計(jì)測(cè)量相位差12π+供，N為超聲波波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍數(shù)，π為圓周率，位移測(cè)量采用的是 差動(dòng)式測(cè)量方式，因而位移測(cè)量值d與相位差的比例系數(shù)為λ/4π，則在超聲波波長(zhǎng)修正 前的移動(dòng)平臺(tái)位移測(cè)量值d:
再由所述的超聲波波長(zhǎng)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)獲取另外兩處超聲波電信號(hào)X、y之間的相位差努的 變動(dòng)量，由得到超聲波波長(zhǎng)的修正值Λλ，則修正后的移動(dòng)平臺(tái)位移測(cè)量值cT:
【文檔編號(hào)】G01B17/00GK104457633SQ201410662610
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】徐從裕, 劉治國(guó), 徐慧君, 余曉芬, 潘榮譽(yù), 耿霄霖 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)