超声测距原理在液压缸行程检测中的分析及应用研究
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摘要
超声波测距属于非接触检测的范畴，它在许多场合有接触测量不可比拟的优越性，同时与激光、红外、无线电等其它非接触性检测相比，超声检测在一定距离范围内不受光线影响、结构简单、成本低等特点。超声测距是一种比较新的检测方法，本课题就是围绕超声测距而研究的。文中对超声波在空气中、液压油中的衰减情况进行了分析，并对在空气中、液压缸中的影响测量精度的几个因素进行了分析。在空气和液压缸中影响测距精度的主要因素包括：超声波的频率、环境温度、超声换能器本身的系统误差(即探头固定误差)、硬件时间延迟、工作现场的电噪声和声噪声、市电的过压、介压噪声以及市电的尖峰和浪涌噪声，在本系统中采取了以下几种误差的补偿方案：
·对于超声波的频率对测量精度的影响，只能根据测距的距离选择合适的超声频率。在论文第四章对超声波在液压缸中衰减的分析中提出了选择合适超声频率的一种方法。
·由于温度对超声速度有较大的影响，因而，温度的变化是影响超声测距精度的一大因素。本论文第三章中提出了两种温度补偿方案。通过温度的补偿可以较好的解决这个问题。
·对探头本身的系统误差提出了修正方案。
·对硬件的时间延迟也提出了解决的方法。
一太原理工大学硕士论文
。对工作现场的电噪声可以通过金属外壳屏蔽和设计正确的
接地的方法解决，在本文第五章中给出了接地的设计。对于声
噪声，我们采用算术平均值来代替其真值的方法来提高回波的
信噪比，从而对声噪声进行抑制。
。对于市电的介压、过压噪声，我们采用交流稳压器来去除。
对于市电的尖峰和浪涌噪声，由于其属于高频成份，在本文第
五章，我们设计了低通滤波器来滤波，消除其影响。
。论文在第四章中给出了在测量液压缸位移时的三种安装方
案，并分析了其优劣性。给出一种新的计时方法。同时我们还
讨论了利用超声测量钢坯磨床中砂轮直径的可能性。
在本文中，还给出了完整的电路设计方案，包括:发射接收
电路、温度测量电路、显示电路、稳压电源电路、A/D转换电
路等。并对部分电路在Protel 99 se下进行了仿真。
Ultrasonic distance measurement belongs to the category of uncontact measurement.In the condition it has advantage which contact measure doesn't has contrasting with uncontact measurement. Ultrasonic measure is not influenced by rays of light in the range ,and has simple struture,and cost cheaply cotrasting to other uncontract measurement such as laser measurement, rared ray easurement ,radio measurement. Ultrasonic distance measurement is the new distance measurement. This thesis studies the ultrasonic distance measurement,and reasearchs ultrasonic attenuation in the atmosphere and hydraulic oil,analyses the factors which inflence measurement precision. The factors include ultrasonic wave frequence ,condition temperature, ultrasonic converter instrinisic system error, hareware extended time, electricity noise and sonic noise in the spot,city power defmcient pressure and exceeded pressure,city power peak and pour. We adopt the following compensation schemes of error in the system.
About ultrasonic wave frequence's effect to measurement precision ,we can choose appropriate frequence according to the measured distance. The third chapter in the paper presents a method that we can select suitable ultrasonic frequence in the analysis of the ultrasonic attenuation.
Owing to temperature having great effect ,the variation of temperature is a important factor that affects the measurement
precision. The third chart in the paper presents two compensation methods. We can satisfactorily solve the question.
A method is presented in order to compensate ultrasonic converter instrinisic system error.
Hareware extended time is compensated .
Electricity noise in the spot can be solved by metal cover and right ground connection. The ground connection method is given in the fourth chart. Sonic noise can be solved through using arithmetic mean in place of the real numerical value to increase signal and noise ratio.
We use alternating voltage regulator to remove city powe defincient pressure and exceeded pressure. Owing to high frequence ,city power peak and pou can be removed by low band-pass filter that we design in the fourth chart.
We give three installing schemes in the measuring hydraulic cylinder in the fourth chart and analyse thire merits and shortcomings.We discuss the possibility of measuring grinding wheel diameter by ultrasonic wave
We give the full electric circuit schemes,including emitting and receiving circuit,measuring temperature circuit,displaying circuit,regulated power supply, A/D converter circuit and so on . We emulate some of the circuit in the Protel 99 se.
·对于超声波的频率对测量精度的影响，只能根据测距的距离选择合适的超声频率。在论文第四章对超声波在液压缸中衰减的分析中提出了选择合适超声频率的一种方法。
·由于温度对超声速度有较大的影响，因而，温度的变化是影响超声测距精度的一大因素。本论文第三章中提出了两种温度补偿方案。通过温度的补偿可以较好的解决这个问题。
·对探头本身的系统误差提出了修正方案。
·对硬件的时间延迟也提出了解决的方法。
一太原理工大学硕士论文
。对工作现场的电噪声可以通过金属外壳屏蔽和设计正确的
接地的方法解决，在本文第五章中给出了接地的设计。对于声
噪声，我们采用算术平均值来代替其真值的方法来提高回波的
信噪比，从而对声噪声进行抑制。
。对于市电的介压、过压噪声，我们采用交流稳压器来去除。
对于市电的尖峰和浪涌噪声，由于其属于高频成份，在本文第
五章，我们设计了低通滤波器来滤波，消除其影响。
。论文在第四章中给出了在测量液压缸位移时的三种安装方
案，并分析了其优劣性。给出一种新的计时方法。同时我们还
讨论了利用超声测量钢坯磨床中砂轮直径的可能性。
在本文中，还给出了完整的电路设计方案，包括:发射接收
电路、温度测量电路、显示电路、稳压电源电路、A/D转换电
路等。并对部分电路在Protel 99 se下进行了仿真。
Ultrasonic distance measurement belongs to the category of uncontact measurement.In the condition it has advantage which contact measure doesn't has contrasting with uncontact measurement. Ultrasonic measure is not influenced by rays of light in the range ,and has simple struture,and cost cheaply cotrasting to other uncontract measurement such as laser measurement, rared ray easurement ,radio measurement. Ultrasonic distance measurement is the new distance measurement. This thesis studies the ultrasonic distance measurement,and reasearchs ultrasonic attenuation in the atmosphere and hydraulic oil,analyses the factors which inflence measurement precision. The factors include ultrasonic wave frequence ,condition temperature, ultrasonic converter instrinisic system error, hareware extended time, electricity noise and sonic noise in the spot,city power defmcient pressure and exceeded pressure,city power peak and pour. We adopt the following compensation schemes of error in the system.
About ultrasonic wave frequence's effect to measurement precision ,we can choose appropriate frequence according to the measured distance. The third chapter in the paper presents a method that we can select suitable ultrasonic frequence in the analysis of the ultrasonic attenuation.
Owing to temperature having great effect ,the variation of temperature is a important factor that affects the measurement
precision. The third chart in the paper presents two compensation methods. We can satisfactorily solve the question.
A method is presented in order to compensate ultrasonic converter instrinisic system error.
Hareware extended time is compensated .
Electricity noise in the spot can be solved by metal cover and right ground connection. The ground connection method is given in the fourth chart. Sonic noise can be solved through using arithmetic mean in place of the real numerical value to increase signal and noise ratio.
We use alternating voltage regulator to remove city powe defincient pressure and exceeded pressure. Owing to high frequence ,city power peak and pou can be removed by low band-pass filter that we design in the fourth chart.
We give three installing schemes in the measuring hydraulic cylinder in the fourth chart and analyse thire merits and shortcomings.We discuss the possibility of measuring grinding wheel diameter by ultrasonic wave
We give the full electric circuit schemes,including emitting and receiving circuit,measuring temperature circuit,displaying circuit,regulated power supply, A/D converter circuit and so on . We emulate some of the circuit in the Protel 99 se.
引文
[1] 王军，超声波测距系统的研究与实现，西北工业大学，王磊指导，1997年。
[2] 童峰，高精度超声测距系统研究，厦门大学，许水源，许天增指导，1997年。
[3] 《超声波探伤》编写组，《声超波探伤》，电力工业出版社，1980年。
[4] 同济大学声学研究室，《超声工业测量技术》，上海人民出版社。1977年。
[5] 李茂山，超声测距原理及实践技术，《实用测试技术》，1994年第1期。
[6] 李忠杰，数字式超声波位移测量仪的研究，《仪器仪表与装置》，1999年第三期。
[7] 王润田，双频超声波测距，《声学技术》，1996年第3期。
[8] 李茂山，李峰，李琼，超声波测长仪数值校验与修正，《实用测试技术》，1998年第4期。
[9] 陈祯，彭光俊，一种新型的超声测厚仪，《仪表技术》，2002年第一期。
[10] 董子和，超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统中的应用，汽车电器，1997年第一期。
[11] 童峰，许水源，许天增，一种高精度超声波测距处理方法，厦门大学学报(自然科学版)，1998年第4期。
[12] 胡兰，张逸芳，超声测距变结构控制系统的研究，《应用声学》，1999年第1期。
[13] 龚向东，一种测量液压缸位移的新方法，《机械与电子》，1995年第四期。
[14] 江泽涛，俞子荣，温度对液体中超声波速度的影响，《南昌工业学院学报》，1998年第二期。
[15] 郑丰隆，提高超声波测距分辨力的一种单片机测量电路，《山东矿业学院学报》，1996年第四期。
[16] 姚国民，王寅观，钟卫东，超声波流量计中的数据处理，《声学技术》，1998年第一期。
[17] 洪新华，超声波驱动电路研究，《河南职技师院学报》，1999年第三期。
[18] 董胜林，董晓宁，气介式超声检测换能器应用研究，《陕西师范大学学报》第二期。
[19] 李鸣华，余水宝，单片机在超声波料位测量中的应用，《电子技术应用》，1998年第九期。
[20] 韩保亮，孙伟，单片机在超声波测距中的应用，《东北电力学院学报》，1996年第四期。
[21] 曹茂永，张逸芳，泥浆中超声测距误差分析及修正，《计量技术》，1996
年第6期。
[22] 马大猷，《声学手册》，科学出版社，1983年。
[23] 方佩敏，超声波专用集成电路LMl812的原理和应用，《电子世界》，1993年第12期。
[24] 阎石，《数字电子技术基础》，高等教育出版社，1998年。
[25] 童诗白，华成英，《模拟电子技术基础》，高等教育出版社，2001年。
[26] 肖洪兵，胡辉，郭速学，《跟我学用单片机》，北京航空航天大学出版社，2002年。
[27] Kimiyuki Mitsui, Makoto Koike, Hidehiko Tsukamoto, Development of a new displacement-measuring ultrasonic sensor based on astigmatic focus error detection-measuring principle and its demonstration, Precision Engineering, 1997.20.1-4.
[28] 房小翠，王金凤，《单片机实用系统设计技术》，国防工业出版社，1996年。
[29] Lawu T., Ueda M., Simulation of ultrasonic displacement in random medium using ultrasonic speckle tracking , Japanese J Vol.39,No. 5B,2000 ournal of Applied Physics Part 1-Regular Papers Short Notes & Review Papers, Vol.39,No.5B,2000.
[30] Choi PK.; Hayashi K.; Shimizu S., Wide-band detection of ultrasonic wave pulse using optical evanescent waves , apanese Journal of Applied Physics Part 1-Regular Papers Short Notes & Review Papers, Vol.37,No. SB Special Issue SI,1998.
[31] Chen, E.J.; Jenkins, W.K., The impact of various Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, IEEE Transactions on imaging parameters on ultrasonic displacement and velocity estimates Vol. 41Issue: 3.
[32] Skovoroda, A.R.; Emelianov, S.Y., Tissue elasticity reconstruction based on ultrasonic displacement and strain images, Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, IEEE Transactions on, Vol. 42Issue: 4.
[33] Hidetoshi Nakano;Youichi Matsuda;Satoshi Nagai, Optical detection of ultrasound with a phase-modulated Michelson interferometer , Bulletin of NRLM, Vol.49,No.2,2000.
[34] Grant A. Gordon, The Pennsylvania State Univ., State College, PA, USA,Truman D. Mast, The Pennsylvania State Univ., State College, PA, USA., Wide-area imaging of ultrasonic Lamb wave fields by electronic speckle pattern interferometry ,Nondestructive Evaluation of Aging Aircraft, Airports, and Aerospace Hardware Ⅲ Meeting Date: 03/03 - 03/05/99, Newport Beach, CA, USA, SPIE Proceedings Vol. 3586
[35] McBride,S.E.,Wetsel,G.C.,Jr. Scanning-tunneling-microscope detection of surface acoustic waves, Ultrasonics Symposium, 1992. Proceedings., IEEE 1992, 1992 vol. 1.
[36] Grant A. Gordon; T. Douglas Mast Wide-Area Imaging of Ultrasonic Lamb
Wave Fields by Electronic Speckle Pattern Interferometry, Proceedings of SPIE; v. 3586.
[37] 黄长艺，卢文祥，熊诗波，《机械工程测量与试验技术》，机械工业出版社，2000年。
[38] 陈宝江，翟沥，张幽彤，杜庆柏，《MCS单片机应用系统实用指南》，机械工业出版社，1997年。
[39] 戴伏生，毛兴鹏，王好贤，柏军，《基础电子电路设计与实践》，国防工业出版社，2002年。
[40] 吴道悌，《非电量电测技术》，西安交通大学出版社，2001年。
[41] 梁恩主，梁恩维，《Protel 99 se电路设计与仿真应用》，清华大学出版社，2001年。
[42] Skovoroda, A.R.; Lubinski, L.A., Reconstructive elasticity imaging for large deformations, Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, IEEE Transactions on , Vol. 46Issue: 3.
[43] hua hong,wang yongtian,xu tong, Dynamic Range Finding Device Using Amplitude-Modulated Continuous Ultrasonic Wave,Journal of BeiJing Institute of Technology, 1988, VOL.7, NO. 1
[44] Jack Blitz, Ultrasonics methods and applications
[45] 袁易超，超声换能器，南京大学出版社，1992年。
[46] Figneroa J.F.,Lamancusa J.S., "A method for accurate detection of time of arrival:Analysis and design of ultrasonic ranging system " ,J.Acoust. soc. AM., 1992,91 (1):468～494
[2] 童峰，高精度超声测距系统研究，厦门大学，许水源，许天增指导，1997年。
[3] 《超声波探伤》编写组，《声超波探伤》，电力工业出版社，1980年。
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[34] Grant A. Gordon, The Pennsylvania State Univ., State College, PA, USA,Truman D. Mast, The Pennsylvania State Univ., State College, PA, USA., Wide-area imaging of ultrasonic Lamb wave fields by electronic speckle pattern interferometry ,Nondestructive Evaluation of Aging Aircraft, Airports, and Aerospace Hardware Ⅲ Meeting Date: 03/03 - 03/05/99, Newport Beach, CA, USA, SPIE Proceedings Vol. 3586
[35] McBride,S.E.,Wetsel,G.C.,Jr. Scanning-tunneling-microscope detection of surface acoustic waves, Ultrasonics Symposium, 1992. Proceedings., IEEE 1992, 1992 vol. 1.
[36] Grant A. Gordon; T. Douglas Mast Wide-Area Imaging of Ultrasonic Lamb
Wave Fields by Electronic Speckle Pattern Interferometry, Proceedings of SPIE; v. 3586.
[37] 黄长艺，卢文祥，熊诗波，《机械工程测量与试验技术》，机械工业出版社，2000年。
[38] 陈宝江，翟沥，张幽彤，杜庆柏，《MCS单片机应用系统实用指南》，机械工业出版社，1997年。
[39] 戴伏生，毛兴鹏，王好贤，柏军，《基础电子电路设计与实践》，国防工业出版社，2002年。
[40] 吴道悌，《非电量电测技术》，西安交通大学出版社，2001年。
[41] 梁恩主，梁恩维，《Protel 99 se电路设计与仿真应用》，清华大学出版社，2001年。
[42] Skovoroda, A.R.; Lubinski, L.A., Reconstructive elasticity imaging for large deformations, Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, IEEE Transactions on , Vol. 46Issue: 3.
[43] hua hong,wang yongtian,xu tong, Dynamic Range Finding Device Using Amplitude-Modulated Continuous Ultrasonic Wave,Journal of BeiJing Institute of Technology, 1988, VOL.7, NO. 1
[44] Jack Blitz, Ultrasonics methods and applications
[45] 袁易超，超声换能器，南京大学出版社，1992年。
[46] Figneroa J.F.,Lamancusa J.S., "A method for accurate detection of time of arrival:Analysis and design of ultrasonic ranging system " ,J.Acoust. soc. AM., 1992,91 (1):468～494