[實用新型]連續調制超聲波精確測距系統

有效

• 申請號: 201921105920.4
• 申請日: 2019-07-16
• 公開（公告）號: CN211061694U
• 公開（公告）日: 2020-07-21
• 發明（設計）人: 焦迪;李建國;應繼偉;汪邦運
• 申請（專利權）人: 上海菲伽智能科技有限公司
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08;G01S7/527;G01S7/539
• 代理公司: 北京勁創知識產權代理事務所(普通合伙) 11589
• 代理人: 王闖

本實用新型公開了一種連續調制超聲波精確測距系統，包括：第一正弦波形成電路、第二正弦波形成電路、振幅調制及驅動電路、起始時刻形成電路、前置接收電路、振幅解調電路、回波達到時刻處理電路及微處理器，其中，微處理器分別與第一正弦波形成電路、第二正弦波形成電路、起始時刻形成電路及回波達到時刻處理電路連接，振幅調制及驅動電路分別與第一正弦波形成電路和第二正弦波形成電路連接，起始時刻形成電路與第一正弦波形成電路或第二正弦波形成電路連接，振幅解調電路與前置接收電路連接，回波達到時刻處理電路與振幅解調電路連接。其以區別于傳統振幅甄別法的測量方式，精確得到了超聲波信號的收發時間點，進而精確的得到與被測目標間的距離。

技術領域

本實用新型涉及工程測量技術領域，尤其涉及一種超聲波測距系統。

背景技術

在工程建設領域中，通常需要對建筑物的沉降實施監測，而沉降監測的本質是對建筑物下沉位移的監測。目前有許多方法可實現對位移的精確監測，例如采用LVDT((Linear Variable Differential Transformer，線性可變差動變壓器)傳感器實現高精度的位移監測。但是，采用LVDT方式構成的監測系統成本較高，尤其在大量程沉降監測場合，成本將急劇上升。與現有的大多數水準沉降監測方法相比，利用超聲測距原理實現位移監測具有非接觸、大量程、廉價的優點。然而，鑒于超聲波的物理性質，利用超聲測距原理實現位移監測的精度通常在1mm(毫米)左右，并不能滿足某些需要獲得高精確水準沉降信息的場合。

要提高超聲波測距的精度，需從超聲波的物理機理入手，尋找影響測量精度的內在原因，以提出解決方法。超聲波本質上是一種振動頻率大于或等于20KHz(千赫茲)的彈性機械波，當前大多使用壓電式超聲換能器來產生。當超聲換能器被施以其頻響范圍內的交變電信號激勵時，超聲換能器發生機械振蕩，引起超聲換能器所處空間附近的氣體分子振動，從而改變所處空間附近的聲壓(空氣中氣體分子振動)，通過氣體分子間能量的傳遞，產生一系列的超聲波。根據超聲波從一種傳播介質入射到另一種介質時傳輸速率會發生變化的物理特性，超聲波將在這兩種介質的分界面上發生反射。假定超聲波在某種介質中的傳播速率是已知的，計算從超聲波換能器發出超聲波到超聲波換能器接收到被反射回來的超聲回波所需的時間，即可獲得超聲換能器與反射界面間的距離。

目前，利用超聲波進行距離測量大多采用超聲波時差法。在該方法中，以數個脈沖信號激勵超聲換能器發射超聲波，超聲波經被測物反射后接收超聲回波；進而計算超聲波發出時刻點到反射波被接收到時刻點的時間差，將該時間差與超聲波波速的乘積被2除便得到超聲發射點與被測物間的距離，這種方式亦被稱為“雷達測量法”。眾所周知，超聲波換能器在電脈沖信號的激勵下由靜態開始振蕩并發射超聲波，而超聲波穩定振蕩的建立需要一個過渡過程，如圖1a和圖1b所示，其中，圖1a為超聲振子起振圖(橫軸為時間t，縱軸為振幅A)，圖1b為超聲振子停振圖，即超聲波換能器由靜態啟動到輸出超聲波的振幅需要經歷一段由零到穩幅振蕩的過渡過程。在該過程中，超聲波的振幅按照正態增幅規律進行變化，也就是說，雖然超聲激勵時刻是已知的，但接收點得到是一簇其振幅隨超聲波換能器由靜止到穩態的過渡過程及測量量程變化而變化的回波信號。以此，使用振幅甄別法測定的回波到達時刻是模糊且不穩定的，難以確定回波到達的精確時刻，成為常規雷達測量法無法得到高測量精度的關鍵因素，且使用脈沖信號激勵超聲發射換能器具有瞬變頻譜特性，產生的超聲波振幅具有進一步的不確定性。另外，在自然空間傳播的超聲波信號振幅隨被測目標距離的增加急劇衰減，同時受到空間噪聲的干擾，會對回波信號產生疊加貢獻，引起回波信號的無規律漲落，進一步增大了甄別回波信號到達時間點的誤差。

實用新型內容

針對上述現有技術的不足，本實用新型提供了一種連續調制超聲波精確測距系統，有效解決了現有超聲波測距中測量精度不夠的技術問題。

為了實現上述目的，本實用新型通過以下技術方案實現：

一種連續調制超聲波精確測距系統，包括：