[发明专利]一种高精度超声波位移测量系统

说明书

本发明公开了一种高精度超声波位移测量系统，包括：超声波发射/接收单元、对接收到的超声波信号进行处理的超声波信号处理单元、触发超声波发射单元第一次发射超声波以及稳定系统输出频率的锁相单元、补偿不同温度值对超声波传播速度的误差的温度补偿单元、输入不同材质下超声波传输速度值的输入单元以及显示测得的位移值的显示单元。本发明把超声波位移的测量转化为频率的测量。经锁相单元的处理，达到消除偶然误差的影响以及减小了回波到达时刻不确定的影响，使系统更稳定，精度更高。

技术领域

本发明涉及一种高精度超声波位移测量系统，属于高精度位移测量领域。

背景技术

超声波是指频率超过20KHZ以上的声波，它主要是利用超声波探头发射超声波同时开始计时，碰到被测物体反射回来停止计时，而超声波在介质中的传播速度已知，只要测得超声波的渡越时间,经过计算就可以得到被测位移。常用的提高超声波测位移精度方法主要有以下几种：

1、增大超声波换能器的发射频率。超声波的频率越高，超声波的方向性越好，信号的沿越陡，回波到达时刻重复精度也就越高，并且单位时间的波数越多，能够测量的最小位移越小。但超声波的频率不能无限增加，一是增加了成本，二是频率越高，衰减越大。

2)提高检测回波到达时刻的精度。如包络峰值检测，自动增益，动态阈值以及一些数学算法求峰值等。提高回波信号到达时刻的精度的对提高超声波测位移的精度有一定的作用。尽管对超声波回波信号进行滤波等处理，但回波中依然掺杂着电噪等干扰信号以及偶然误差和信号畸变等的影响也会使所测结果不稳定，影响超声波测位移精度。

3)提高定时计数频率。从理论上讲定时计数的频率越高越好，因为定时计数法总存在一个计数误差，频率越高，同样时间内计数越多，百分比误差就越小。但计数频率不能无限提高，因为它受硬件限制。

4)加长计数时间。定时计数频率一定时,加长计数时间，也就是计多次往复传播的总时间，用更长的时间就可以计更多的数，那么误差自然也越小。并且在一定程度上还可以抵消回波到达时刻的偶然误差，但是考虑到系统的快速性，时间也不能加的太长，并且偶然误差也依然存在。

5)进行误差补偿，例如温度补偿等等，这只是测量完成之后计算上的处理，这里不予讨论。

现有的设备或仪器大多是以上方法的综合运用，要达到很高的精度，系统复杂性与成本会大幅度提高。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，本发明一种高精度超声波位移测量系统，其特征在于，包括：

超声波发射/接收单元、对接收到的超声波信号进行处理的超声波信号处理单元、触发所述超声波发射单元第一次发射超声波以及稳定系统输出频率的锁相单元、补偿不同温度值对超声波传播速度的误差的温度补偿单元、输入不同材质下超声波传输速度值的输入单元以及显示测得的位移值的显示单元；所述超声波发射单元，包括：产生功率窄脉冲信号的激励脉冲发生器、发射超声波的超声波换能器；

所述激励脉冲发生器产生的功率窄脉冲信号驱动超声波换能器发射超声波；所述超声波经过被测物返回后，立即触发下一次超声波的发射，多次往返后的频率信号输入到锁相环输出稳定频率信号f'，所述锁相单元的输出频率f′稳定后，若突然出现频率相差较大的信号，但下一个周期恢复正常，锁相单元将保持稳定；已知输入单元输入的超声波传输速度值为V，则被测位移L为：

L＝V÷f'÷2。

进一步的，所述锁相单元发出的方波信号的下降沿触发激励脉冲发生器产生功率窄脉冲信号，并激励超声波换能器发射超声波信号F；所述超声波换能器发射的超声波遇到被测物体后反射回来的回波信号经过数据处理后形成脉冲信号；所述脉冲信号多次往返后的频率信号输入到锁相环输出稳定频率信号f'；根据锁相环稳定后的频率f′以及所述输入单元输入的不同材质下超声波传输速度值计算位移；所述输入单元输入的超声波传输速度值通过温度补偿单元补偿不同温度值对超声波传播速度的误差。