一种提高超声波位移测量精度的检测方法

摘要

本发明公开了一种提高超声波位移测量精度的检测方法，包括一套超声波位移测量机构和一套超声波波长校准机构以及基于相位差的位移测量算法；由超声波位移测量机构获取位移测量值，再通过超声波波长校准机构对超声波波长进行实时修正；由于位移测量值和波长修正值是通过测量超声波电信号之间的相位差实现的，因而提高相位检测精度对提高位移测量精度是至关重要的；为消除超声波电信号中的直流偏置对过零点相位检测的影响，在数据处理单元中的相位检测算法里，对相邻的超声波电信号采样值进行了差值计算，再对不同的相邻采样值的差值进行了比值计算，由此获取的相位检测值精度大幅提高；该项发明可应用于坐标测量机及大尺寸测量领域中。

说明书

技术领域

本发明涉及空间坐标测量技术领域，尤其涉及一种提高超声波位移测量精度的检测方法。 

背景技术

坐标测量机及关键技术，是衡量一个国家科学技术发展水平以及衡量一个国家综合实力的一项重要指标。坐标测量机的位移测量大多是通过光栅实现的，由于受到导轨直线度的影响，位移测量存在着轴线方向上的测量误差，而且光栅位移测量系统安装和调试非常复杂，对导轨的要求也非常苛刻。采用更加简单且对导轨直线度要求不高的位移测量方式，是降低坐标测量机成本，拓宽坐标测量机的应用范围所需解决的问题。 

目前，对如何提高超声波测距精度以及如何将超声波测距技术应用于大尺寸测量的研究也越来越多。将超声波测距技术应用于坐标测量机上，既有超声波测距的本身特点所具有的优势，如在一定的可视范围内，测距不受坐标测量机导轨直线度的影响，也有超声波位移测量精度需要大幅提升的问题。 

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种提高超声波位移测量精度的检测方法。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种提高超声波位移测量精度的检测方法，包括有超声波位移测量机构、超声波波长校准机构以及基于相位差的位移测量方法；所述的超声波位移测量机构包括有固定平台、移动平台、两个超声波发射传感器一、二和两个超声波接收传感器一、二，将所述的超声波发射传感器一和超声波发射传感器二背靠背安装在移动平台上，将所述的超声波接收传感器一、二安装在固定平台的两端，两只超声波发射传感器一、二和两只超声波接收传感器一、二所在振动面的中心法线在一条直线上，通过检测两只超声波接收传感器一、二响应电信号之间的相位差，实现对移动平台位移量的测量；所述的超声波波长校准机构包括有超声波发射传感器三和超声波接收传感器三，将超声波发射传感器三和超声波接收传感器三安 装在固定平台的两端，超声波发射传感器三和超声波接收传感器三所在振动面的中心法线在一条直线上，通过检测超声波发射传感器三的激励电信号与超声波接收传感器三的响应电信号之间相位差的变动量，实现对超声波波长的校准，进而实现对移动平台位移测量误差的实时修正；所述的基于相位差的位移测量方法包括有A/D转换器和数据处理单元，首先通过A/D转换器对各个超声波电信号进行等间隔A/D采样，采样值通过数字运算方式获取两路超声波信号相位差值，所述的数字运算方式是在数据处理单元中首先对相邻采样值进行差值计算，用于消除超声波电信号采样值中的直流偏置对相位测量的影响，再对两组不同相邻采样值的差值进行比值计算，求解出每一路的相位值，最后得到两路相位差值，所述的位移测量值与相位差仅存在一个比例系数关系，通过测量相位差，得到所述的位移测量值。 

所述的基于相位差的位移测量方法包括以下步骤： 

(1)超声波接收传感器一处的超声波电信号为u，超声波发射传感器一、二、三处的超声波电信号为x，超声波接收传感器三处的超声波电信号为y，超声波接收传感器二处的超声波电信号为v，首先对四处超声波电信号u、v、x、y进行等间隔A/D采样，以获取相邻时刻t_i、t_i+1＝t_i+Δt、t_i-1＝t_i-Δt、t_i+2＝t_i+2Δt、t_i-2＝t_i-2Δt的采样值u_i、u_i+1、u_i-1、u_i+2、u_i-2，v_i、v_i+1、v_i-1、v_i+2、v_i-2，x_i、x_i+1、x_i-1、x_i+2、x_i-2，y_i、y_i+1、y_i-1、y_i+2、y_i-2： 

u_i＝A₁sin(ωt_i)+C₁                  (1) 

u_i+1＝A₁sin(ωt_i+ωΔt)+C₁              (2) 

u_i-1＝A₁sin(ωt_i-ωΔt)+C₁                (3) 

u_i+2＝A₁sin(ωt_i+2ωΔt)+C₁             (4) 

u_i-2＝A₁sin(ωt_i-2ωΔt)+C₁             (5) 

x_i＝B₁sin(ωt_i)+D₁                  (11) 

x_i+1＝B₁sin(ωt_i+ωΔt)+D₁            (12) 

x_i-1＝B₁sin(ωt_i-ωΔt)+D₁             (13) 

x_i+2＝B₁sin(ωt_i+2ωΔt)+D₁           (14) 

x_i-2＝B₁sin(ωt_i-2ωΔt)+D₁        (15) 

式(1)至式(20)中的i为采样点，i为整数值；ω为超声波频率；Δt为A/D采样的时间间隔；为超声波电信号u、v之间的相位差，为超声波电信号x、y之间的相位差；A₁、A₂、B₁、B₂为四处的超声波电信号u、v、x、y的幅值；C₁、C₂、D₁、D₂为四处的超声波电信号u、v、x、y的直流偏置，这种直流偏置是引起超声波电信号过零点相位检测的误差源，需要在算法中进行消除； 

(2)在数据处理单元中，通过对式(1)至式(5)以及式(6)至式(10)相邻采样值的差值运算，消除了直流偏置C₁和C₂对相位检测的影响，再通过比值运算，获取了超声波电信号u、v之间的相位差

或： 

式(21)和式(22)中的tan^-1()为反正切函数； 

同理，通过对式(11)至式(15)以及式(16)至式(20)相邻采样值的差 值运算，消除了直流偏置D₁和D₂对相位检测的影响，再通过比值运算，获取了超声波电信号x、y之间的相位差

或： 

式(21)至式(24)是在超声波频率ω与A/D采样间隔Δt之积ωΔt为一恒定值条件推导出来的； 

同理，可以得到超声波电信号的幅值A₁、A₂、B₁、B₂，超声波电信号的直流偏置C₁、C₂、D₁、D₂，以及超声波的频率ω； 

(3)在数据处理单元中，计算移动平台的位移值d，其中两处超声波电信号u、v之间的累计测量相位差N为超声波波长λ的整数倍数，π为圆周率，位移测量采用的是差动式测量方式，因而位移测量值d与相位差的比例系数为λ/4π，则在超声波波长修正前的移动平台位移测量值d： 

再由所述的超声波波长校准机构获取另外两处超声波电信号x、y之间的相位差的变动量由得到超声波波长的修正值Δλ，则修正后的移动平台位移测量值d^*： 

本发明的优点是：本发明通过超声波位移测量机构、超声波波长校准机构以及基于相位差检测的位移测量方法，实现对空间直线位移的精确测量，解决超声 波位移检测技术应用于坐标测量机上存在的测量精度不高问题。 

附图说明

图1为本发明工作原理结构图。 

具体实施方式

如图1所示，一种提高超声波位移测量精度的检测方法，包括有超声波位移测量机构、超声波波长校准机构以及基于相位差的位移测量方法；所述的超声波位移测量机构包括有固定平台8、移动平台9、两个超声波发射传感器一1、二2和两个超声波接收传感器一3、二4，将所述的超声波发射传感器一1和超声波发射传感器二2背靠背安装在移动平台9上，将所述的超声波接收传感器一3、二4安装在固定平台8的两端，两只超声波发射传感器一1、二2和两只超声波接收传感器一3、二4所在振动面的中心法线在一条直线上，通过检测两只超声波接收传感器一3、二4响应电信号之间的相位差，实现对移动平台9位移量的测量；所述的超声波波长校准机构包括有超声波发射传感器三5和超声波接收传感器三6，将超声波发射传感器三5和超声波接收传感器三6安装在固定平台8的两端，超声波发射传感器三5和超声波接收传感器三6所在振动面的中心法线在一条直线上，通过检测超声波发射传感器三5的激励电信号与超声波接收传感器三6的响应电信号之间相位差的变动量，实现对超声波波长的校准，进而实现对移动平台9位移测量误差的实时修正；所述的基于相位差的位移测量方法包括有A/D转换器10和数据处理单元11，首先通过A/D转换器10对各个超声波电信号进行等间隔A/D采样，采样值通过数字运算方式获取两路超声波信号相位差值，所述的数字运算方式是在数据处理单元11中首先对相邻采样值进行差值计算，用于消除超声波电信号采样值中的直流偏置对相位测量的影响，再对两组不同相邻采样值的差值进行比值计算，求解出每一路的相位值，最后得到两路相位差值，所述的位移测量值与相位差仅存在一个比例系数关系，通过测量相位差，得到所述的位移测量值。 

所述的基于相位差的位移测量方法包括以下步骤： 

(1)超声波接收传感器一3处的超声波电信号为u，超声波发射传感器一1、二2、三5处的超声波电信号为x，超声波接收传感器三6处的超声波电信号为y，超声波接收传感器二4处的超声波电信号为v，首先对四处超声波电信号u、 v、x、y进行等间隔A/D采样，以获取相邻时刻t_i、t_i+1＝t_i+Δt、t_i-1＝t_i-Δt、t_i+2＝t_i+2Δt、t_i-2＝t_i-2Δt的采样值u_i、u_i+1、u_i-1、u_i+2、u_i-2，v_i、v_i+1、v_i-1、v_i+2、v_i-2，x_i、x_i+1、x_i-1、x_i+2、x_i-2，y_i、y_i+1、y_i-1、y_i+2、y_i-2： 

u_i＝A₁sin(ωt_i)+C₁                 (1) 

u_i+1＝A₁sin(ωt_i+ωΔt)+C₁            (2) 

u_i-1＝A₁sin(ωt_i-ωΔt)+C₁            (3) 

u_i+2＝A₁sin(ωt_i+2ωΔt)+C₁           (4) 

u_i-2＝A₁sin(ωt_i-2ωΔt)+C₁          (5) 

x_i＝B₁sin(ωt_i)+D₁                 (11) 

x_i+1＝B₁sin(ωt_i+ωΔt)+D₁             (12) 

x_i-1＝B₁sin(ωt_i-ωΔt)+D₁             (13) 

x_i+2＝B₁sin(ωt_i+2ωΔt)+D₁            (14) 

x_i-2＝B₁sin(ωt_i-2ωΔt)+D₁            (15) 

式(1)至式(20)中的i为采样点，i为整数值；ω为超声波频率；Δt为A/D采样的时间间隔；为超声波电信号u、v之间的相位差，为超声波电信号x、y之间的相位差；A₁、A₂、B₁、B₂为四处的超声波电信号u、v、x、y的幅值；C₁、C₂、D₁、D₂为四处的超声波电信号u、v、x、y的直流偏置，这种直流偏置是引起超声波电信号过零点相位检测的误差源，需要在算法中进行消除； 

(2)在数据处理单元11中，通过对式(1)至式(5)以及式(6)至式(10) 相邻采样值的差值运算，消除了直流偏置C₁和C₂对相位检测的影响，再通过比值运算，获取了超声波电信号u、v之间的相位差

或： 

式(21)和式(22)中的tan^-1()为反正切函数； 

同理，通过对式(11)至式(15)以及式(16)至式(20)相邻采样值的差值运算，消除了直流偏置D₁和D₂对相位检测的影响，再通过比值运算，获取了超声波电信号x、y之间的相位差

或： 

式(21)至式(24)是在超声波频率ω与A/D采样间隔Δt之积ωΔt为一恒定值条件推导出来的； 

同理，可以得到超声波电信号的幅值A₁、A₂、B₁、B₂，超声波电信号的直流偏置C₁、C₂、D₁、D₂，以及超声波的频率ω； 

(3)在数据处理单元11中，计算移动平台9的位移值d，其中两处超声波电信号u、v之间的累计测量相位差N为超声波波长λ的整数倍数，π为圆周率，位移测量采用的是差动式测量方式，因而位移测量值d与相位差的比例系数为λ/4π，则在超声波波长修正前的移动平台位移测量值d： 

再由所述的超声波波长校准机构获取另外两处超声波电信号x、y之间的相位差的变动量由得到超声波波长的修正值Δλ，则修正后的移动平台9位移测量值d^*： 

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