[发明专利]连续调制超声波精确测距方法、装置及系统

说明书

本发明公开了一种连续调制超声波精确测距方法、装置及系统，其中，该方法中包括：使用第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动；在预先设定的测距计时起始时刻点使用第二正弦波信号对第一正弦波信号进行振幅调制；接收被测目标反射的回波信号，并对其解调得到第二正弦波信号；对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，并根据增益控制后的第二正弦波信号确定回波信号的到达时刻点；根据起始时刻点和到达时刻点计算与被测目标之间的距离。其以区别于传统振幅甄别法的测量方式，精确得到超声波信号的收发时间点，尤其对解调得到的第二正弦波信号进行自动增益控制，进一步提高到达时刻点的测量精度，进而精确的得到与被测目标间的距离。

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，尤其涉及一种超声波测距方法、装置及系统。

背景技术

在工程建设领域中，通常需要对建筑物的沉降实施监测，而沉降监测的本质是对建筑物下沉位移的监测。目前有许多方法可实现对位移的精确监测，例如采用LVDT((Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器)传感器实现高精度的位移监测。但是，采用LVDT方式构成的监测系统成本较高，尤其在大量程沉降监测场合，成本将急剧上升。与现有的大多数水准沉降监测方法相比，利用超声测距原理实现位移监测具有非接触、大量程、廉价的优点。然而，鉴于超声波的物理性质，利用超声测距原理实现位移监测的精度通常在1mm(毫米)左右，并不能满足某些需要获得高精确水准沉降信息的场合。

要提高超声波测距的精度，需从超声波的物理机理入手，寻找影响测量精度的内在原因，以提出解决方法。超声波本质上是一种振动频率大于或等于20KHz(千赫兹)的弹性机械波，当前大多使用压电式超声换能器来产生。当超声换能器被施以其频响范围内的交变电信号激励时，超声换能器发生机械振荡，引起超声换能器所处空间附近的气体分子振动，从而改变所处空间附近的声压(空气中气体分子振动)，通过气体分子间能量的传递，产生一系列的超声波。根据超声波从一种传播介质入射到另一种介质时传输速率会发生变化的物理特性，超声波将在这两种介质的分界面上发生反射。假定超声波在某种介质中的传播速率是已知的，计算从超声波换能器发出超声波到超声波换能器接收到被反射回来的超声回波所需的时间，即可获得超声换能器与反射界面间的距离。

目前，利用超声波进行距离测量大多采用超声波时差法。在该方法中，以数个脉冲信号激励超声换能器发射超声波，超声波经被测物反射后接收超声回波；进而计算超声波发出时刻点到反射波被接收到时刻点的时间差，将该时间差与超声波波速的乘积被2除便得到超声发射点与被测物间的距离，这种方式亦被称为“雷达测量法”。众所周知，超声波换能器在电脉冲信号的激励下由静态开始振荡并发射超声波，而超声波稳定振荡的建立需要一个过渡过程，如图1a和图1b所示，其中，图1a为超声振子起振图(横轴为时间t，纵轴为振幅A)，图1b为超声振子停振图，即超声波换能器由静态启动到输出超声波的振幅需要经历一段由零到稳幅振荡的过渡过程。在该过程中，超声波的振幅按照正态增幅规律进行变化，也就是说，虽然超声激励时刻是已知的，但接收点得到是一簇其振幅随超声波换能器由静止到稳态的过渡过程及测量量程变化而变化的回波信号。以此，使用振幅甄别法测定的回波到达时刻是模糊且不稳定的，难以确定回波到达的精确时刻，成为常规雷达测量法无法得到高测量精度的关键因素，且使用脉冲信号激励超声发射换能器具有瞬变频谱特性，产生的超声波振幅具有进一步的不确定性。另外，在自然空间传播的超声波信号振幅随被测目标距离的增加急剧衰减，同时受到空间噪声的干扰，会对回波信号产生叠加贡献，引起回波信号的无规律涨落，进一步增大了甄别回波信号到达时间点的误差。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种连续调制超声波精确测距方法、装置及系统，有效解决了现有超声波测距中测量精度不够的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种连续调制超声波精确测距方法，包括：

使用第一正弦波信号激励发射超声波换能器振动；