專利名稱：超聲波多維檢測與定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種自動檢測裝置。
現(xiàn)有的超聲波檢測裝置，包括發(fā)射探頭，接收探頭，時(shí)序控制電路，超聲波發(fā)射電路，模擬信號處理電路，計(jì)時(shí)電路，渡越時(shí)間檢測電路，單片機(jī)等。由于只有一個(gè)接收探頭，進(jìn)行單向測距，所以只能解決一維的檢測與定位問題。
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種簡單、實(shí)用的能對二維或三維空間檢測和定位的超聲波多維檢測與定位裝置。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的解決方案是該裝置包括發(fā)射探頭，接收探頭，時(shí)序控制電路，超聲波發(fā)射電路，模擬信號處理電路，計(jì)時(shí)電路，渡越時(shí)間檢測電路，單片機(jī)及上位機(jī)，其中接收探頭為兩個(gè)或三個(gè)，模擬信號處理電路完成每一路接收信號的處理，渡越時(shí)間檢測電路將模擬信號處理電路輸出的每一路信號轉(zhuǎn)化為計(jì)時(shí)值，上位機(jī)完成動點(diǎn)位置坐標(biāo)值的計(jì)算和動態(tài)顯示。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1．可動態(tài)檢測和顯示待測動點(diǎn)(發(fā)射探頭)在二維或三維空間的位置和坐標(biāo)值。
2．可用作大屏幕觸摸及定位和機(jī)器人及其它多軸與多坐標(biāo)系統(tǒng)的二維和三維空間測量、定位和虛擬現(xiàn)實(shí)。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1是本實(shí)用新型一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2是圖1中模擬信號處理電路的一種結(jié)構(gòu)簡圖。
圖3是圖2中自動增益補(bǔ)償電路的一種具體電路圖。
圖4是圖3中控制電壓產(chǎn)生電路的一種具體電路圖。
圖5是圖2中峰值檢測電路的一種具體電路圖。
圖6是圖1中渡越時(shí)間檢測電路中的每一路具體電路圖。
圖7是過零檢測原理圖。
圖8是二維檢測與平面定位原理圖。
圖9是本實(shí)用新型另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖10是三維檢測與空間定位原理圖。
由圖1所示，本裝置采用兩個(gè)接收探頭J1和J2，一個(gè)發(fā)射探頭F，發(fā)射探頭F為全方位發(fā)射探頭或由多個(gè)大發(fā)射角探頭并接而成，接收探頭J1、J2將接收到的聲波轉(zhuǎn)換成同頻率的電信號，并分別被送入模擬信號處理電路1，模擬信號處理電路1完成兩路超聲波接收信號的處理。渡越時(shí)間檢測電路2將模擬信號處理電路1輸出的兩路信號轉(zhuǎn)化為計(jì)時(shí)值。計(jì)時(shí)電路7將計(jì)時(shí)值送單片機(jī)5，完成距離計(jì)算。單片機(jī)5通過RS-232串行接口將計(jì)算結(jié)果傳送給上位機(jī)(PC機(jī))6，完成動點(diǎn)位置坐標(biāo)值的計(jì)算和動態(tài)顯示。超聲波發(fā)射電路9由驅(qū)動電路組成，該電路產(chǎn)生某一固定頻率(如40KHz)的脈沖信號，定時(shí)加在發(fā)射探頭F(電一聲換能器)上，發(fā)射探頭F將脈沖信號轉(zhuǎn)換成同頻率的聲波。時(shí)序控制電路8由555定時(shí)電路組成，由它生成時(shí)序控制信號，去控制整個(gè)電路的時(shí)序，包括超聲波脈沖發(fā)射時(shí)間、間隔、寬度，啟動計(jì)時(shí)電路7的時(shí)刻，以及屏蔽虛假回波的信號等。
為獲得工作環(huán)境溫度，為溫度補(bǔ)償提供依據(jù)，提高裝置的檢測精度，可增設(shè)溫度檢測電路3及A/D轉(zhuǎn)換器4,A/D轉(zhuǎn)換器4將相關(guān)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送至單片機(jī)5，完成溫度補(bǔ)償及信號處理、存儲。
由圖2所示，模擬信號處理電路1中的每一路由前置放大電路10，通道選擇電路11，帶通頻波電路12，自動增益補(bǔ)償電路13及峰值檢測電路14組成，完成兩路接收信號的前置放大、通道選擇、帶通濾波、自動增益補(bǔ)償及峰值檢測。因接收信號很微弱，接收電路接收到超聲波信號后，必須將信號進(jìn)行放大；為防止虛假回波的干擾，用定時(shí)信號控制多路選通開關(guān)CD4051，對虛假回波進(jìn)行屏蔽；同時(shí)為了減小環(huán)境噪聲的干擾，提高信噪比，采用帶通濾波電路12以去除信號中其它頻率的噪聲；由于超聲波傳播途徑中空氣流擾動、熱對流等因素的影響，以及聲波的擴(kuò)散，使得聲強(qiáng)隨著傳播距離的增長按指數(shù)規(guī)律衰減，再加上聲波的散射，使得中、長距離的測距精度下降，甚至無法工作，所以采用自動增益補(bǔ)償電路13以補(bǔ)償聲強(qiáng)的衰減；采用峰值檢測電路14，用于消除干擾信號，檢測出回波峰值進(jìn)入渡越時(shí)間檢測電路2。
自動增益補(bǔ)償電路13可由圖3所示電路實(shí)現(xiàn)，具體接法是一對場效應(yīng)15、16的漏極分別接在運(yùn)算放大器17的正向輸入端和反向輸入端，場效應(yīng)管16的源極與柵極之間接有電阻R3，柵極通過二極管D1與控制電壓產(chǎn)生電路的輸出端相接，在運(yùn)算放大器17的反向輸入端與輸出端之間接有電阻R4，兩個(gè)輸入端之間接有電阻R1、R2，兩電阻R1與R2的連接點(diǎn)通過電容C1與帶通濾波電路12的輸出端相接。
這里采用一對場效應(yīng)管15和16可組成動態(tài)范圍較大的增益由外加電壓AGC控制的壓控放大器。圖中的控制電壓AGC應(yīng)能隨目標(biāo)的遠(yuǎn)近自動調(diào)整，即當(dāng)物體靠近時(shí)，接收回波信號較大，這時(shí)，AGC要小，反之，接收回波信號較小，則AGC要增大。由圖4所示的電路可得到滿足這一要求的控制電壓。
如圖4所示控制電壓產(chǎn)生電路的具體接法為在三極管18的集電極與+5V電源之間接有電阻R7，發(fā)射極與集電極之間接有電容C2、與基極之間接有電阻R6，基極通過電阻R5接收門控信號GATE，發(fā)射極與運(yùn)算放大器19的正向輸入端之間接有電阻R9，集電極與運(yùn)算放大器19的反向輸入端之間接有電阻R8，運(yùn)算放大器19的反向輸入端與輸出端之間接有可變電阻R10，輸出端產(chǎn)生控制電壓至自動增益補(bǔ)償電路13。
電容C2與電阻R2構(gòu)成積分電路，門控信號GATE通過三極管18控制電壓清零。GATE為1時(shí)，三極管18導(dǎo)通，電容C2電壓清零，AGC為零；GATE為0時(shí)，三極管18截止，電容C2充電，AGC電壓隨時(shí)間增加，由AGC控制的電路放大器倍數(shù)也隨之增加(圖3)，這樣就實(shí)現(xiàn)了自動增益補(bǔ)償。
峰值檢測電路14可由圖5所示電路實(shí)現(xiàn)，具體接法是運(yùn)算放大器20的反向輸入端與輸出端之間接有二極管D2、與運(yùn)算放大器21的輸出端之間接有電阻R12，運(yùn)算放大器20的正向輸入端與自動增益補(bǔ)償電路13的輸出端相接、并通過電阻R11接地，運(yùn)算放大器20的輸出端與運(yùn)算放大器21的正向輸入端之間接有二極管D3、電阻R13，運(yùn)算放大器21的反向輸入端與輸出端相接，正向輸入端通過電容C3接地，開關(guān)管22的發(fā)射極和集電極跨接在電容C3的兩端，基極通過電阻R15接收門控信號GATE、并通過電阻R14接地。
采用回波峰值檢測技術(shù)，其目的是為了消除虛假回波及噪聲的干擾。由于這些干擾信號有可能達(dá)到域值，但其幅值通常達(dá)不到正?；夭ǖ姆逯担捎没夭ǚ逯禉z測可有效剔除干擾信號，提高傳感器的檢測精度和可靠性。圖5利用運(yùn)算放大器開環(huán)增益大的特點(diǎn)，配合深度負(fù)反饋來克服二極管死區(qū)電壓對測量精度的影響。由運(yùn)算放大器20和21構(gòu)成反饋回路，可以忽略二極管D3的正向壓降和溫度變化的影響。同時(shí)，運(yùn)算放大器20通過二極管D3向電容C3快速充電，充電過程持續(xù)到電容C3的端電壓與輸入電壓相等為止，這一保持電壓即峰值電壓。若輸入電壓略低于被保持的電壓，運(yùn)算放大器20的輸出電位就向負(fù)方向變化，使二極管D2導(dǎo)通，進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài)。為了阻止峰值采樣存儲電容C3通過下一級的輸入電阻放電，可選用高輸入阻抗的運(yùn)算跟隨器21作為緩沖級。開關(guān)管22跨接在電容C3的兩端，當(dāng)峰值取樣完畢后，開關(guān)管22開通，使電容C3迅速放電，電路進(jìn)入下一峰值檢測過程。
由圖6所示，渡越時(shí)間檢測電路2中的每一路具體接法是采用三個(gè)運(yùn)算放大器23、24及25，運(yùn)算放大器23的正向輸入端與自動增益補(bǔ)償電路13的輸出端相接，反向輸入端接閾值信號THRESHOLD，輸出端通過單穩(wěn)延時(shí)電路26接至與門27，運(yùn)算放大器24的正向輸入端與峰值檢測電路14的輸出端相接，反向輸入端接峰值閾值信號，輸出端接至與門27，與門27的輸出端接至觸發(fā)電路28，運(yùn)算放大器25的正向輸入端接地，反向輸入端與運(yùn)算放大器23的正向輸入端相接，輸出端接至觸發(fā)電路28，超聲波發(fā)射電路9的輸出端接至觸發(fā)電路28，觸發(fā)電路28的輸出端與計(jì)時(shí)電路7相接。
渡越時(shí)間檢測電路2綜合運(yùn)用可變域值檢測、回波峰值檢測、過零檢測等技術(shù)，可得到準(zhǔn)確、可靠的計(jì)時(shí)器(停止)觸發(fā)脈沖，即只有當(dāng)這三個(gè)信號都檢測到時(shí)，計(jì)時(shí)器才停止計(jì)時(shí)，可保證準(zhǔn)確的回波檢測時(shí)間。過零檢測的原理如圖7所示，采用域值檢測，對于不同幅值的信號、其檢測時(shí)間(觸發(fā)相位)是不同的，THRESHOLD是閾值，兩個(gè)不同幅值的回波信號達(dá)到閾值的時(shí)刻是不同的，如圖中的t1、t2點(diǎn)，而零點(diǎn)檢測可保證在回波幅值不同的情況下，也能在同一時(shí)刻檢測到回波，如圖中的0點(diǎn)。
由于采用了上述的自動增益補(bǔ)償電路、峰值檢測電路及渡越時(shí)間檢測電路，該裝置還具有檢測精度高，可靠性好，測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
圖8所示，將兩個(gè)超聲波接收探頭J1、J2分別固定在工作平面S的合適位置，探頭接收面的法線方向指向S平面的幾何中心點(diǎn)，發(fā)射探頭F為待測動點(diǎn)，可在工作平面上自由移動。通過超聲波檢測裝置測取發(fā)射探頭F(動點(diǎn))與接收探頭J1和J2(定點(diǎn))之間的距離d1和d2。將獲取的距離信息(數(shù)據(jù))d1和d2通過RS-232串行接口送入上位機(jī)(PC機(jī))6，由鍵盤輸入接收探頭J1、J2的坐標(biāo)值J1(O,O)和J2(X2,O)，便可計(jì)算出動點(diǎn)發(fā)射探頭F的坐標(biāo)值F(X0,Y0)，完成二維超聲波檢測與平面定位。
由圖9所示的裝置與圖1的區(qū)別在于，本裝置采用三個(gè)接收探頭J1、J2和J3，同樣地，模擬信號處理電路5完成三路接收信號的前置放大、通道選擇，帶通濾波、自動增益補(bǔ)償和峰值檢測。渡越時(shí)間檢測電路2將模擬信號處理電路1輸出的三路信號轉(zhuǎn)化為計(jì)時(shí)值。
由圖10所示，將三個(gè)超聲波接收探頭J1、J2、J3分別固定在工作在空間V(三維空間)的合適位置，探頭接收面的法線方向指向空間V的幾何中心點(diǎn)，發(fā)射探頭F作為待測動點(diǎn)可在工作空間V內(nèi)自由運(yùn)動。通過超聲波檢測裝置測取發(fā)射探頭F(動點(diǎn))與接收探頭J1、J2和J3(定點(diǎn))之間的距離d1、d2和d3。將獲取的距離信息(數(shù)據(jù))d1、d2和d3通過RS-232串行接口送入上位機(jī)(PC機(jī))6，由鍵盤輸入接收探頭J1、J2、J3的坐標(biāo)值J1(O,O,O)、J2(X2,O,O)和J3(O,Y3,O)，便可計(jì)算出發(fā)射探頭F(動點(diǎn))的三維空間坐標(biāo)值F(X0,Y0,Z0)。
權(quán)利要求1.一種超聲波檢測與定位裝置，包括發(fā)射探頭(F)，接收探頭(J1)，時(shí)序控制電路(8)，超聲波發(fā)射電路(9)，計(jì)時(shí)電路(7)，單片機(jī)(5)，本實(shí)用新型的特征在于，它還包括a．接收探頭(J2)或接收探頭(J2)和(J3)；b．模擬信號處理電路(1)，完成每一路超聲波接收信號的處理；c．渡越時(shí)間檢測電路(2)，將模擬信號處理電路(1)輸出的每一路信號轉(zhuǎn)化為計(jì)時(shí)值；d．上位機(jī)(6)，完成動點(diǎn)位置坐標(biāo)值的計(jì)算和動態(tài)顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測與定位裝置，其特征在于模擬信號處理電路(1)中的每一路由前置放大電路(10)，通道選擇電路(11)，帶通濾波電路(12)，自動增益補(bǔ)償電路(13)及峰值檢測電路(14)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測與定位裝置，其特征在于自動增益補(bǔ)償電路(13)的接法為，一對場效應(yīng)管(15)、(16)的漏極分別接在運(yùn)算放大器(17)的正向輸入端和反向輸入端，場效應(yīng)管(16)的源極與柵極之間接有電阻R3，柵極通過二極管D1與控制電壓產(chǎn)生電路的輸出端相接，在運(yùn)算放大器(17)的反向輸入端與輸出端之間接有電阻R4，兩個(gè)輸入端之間接有電阻R1、R2，兩電阻R1與R2的連接點(diǎn)通過電容C1與帶通濾波電路(12)的輸出端相接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測與定位裝置，其特征在于上述控制電壓產(chǎn)生電路的接法為，在三極管(18)的集電極與+5V電源之間接有電阻R7，發(fā)射極與集電極之間接有電容C2、與基極之間接有電阻R6，基極通過電阻R5接收門控信號GATE，發(fā)射極與運(yùn)算放大器(19)的正向輸入端之間接有電阻R9，集電極與運(yùn)算放大器(19)的反向輸入端之間接有電阻R8，運(yùn)算放大器(19)的反向輸入端與輸出端之間接有可變電阻R10，輸出端產(chǎn)生控制電壓至自動增益被償電路(13)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測與定位裝置，其特征在于峰值檢測電路(14)的接法為，運(yùn)算放大器(20)的反向輸入端與輸出端之間接有二極管D2、與運(yùn)算放大器(21)的輸出端之間接有電阻R12，運(yùn)算放大器(20)的正向輸入端與自動增益被償電路(13)的輸出端相接、并通過電阻R11接地，運(yùn)算放大器(20)的輸出端與運(yùn)算放大器(21)的正向輸入端之間接有二極管D3、電阻R13運(yùn)算放大器(21)的反向輸入端與輸出端相接，正向輸入端通過電容C3接地，開關(guān)管(22)的發(fā)射極和集電極跨接在電容C3的兩端，基極通過電阻R15接收門控信號GATE、并通過電阻R14接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測與定位裝置，其特征在于渡越時(shí)間檢測電路(2)中的每一路接法為，采用三個(gè)運(yùn)算放大器(23)、(24)及(25)，運(yùn)算放大器(23)的正向輸入端與自動增益補(bǔ)償電路(13)的輸出端相接，反向輸入端接閾值信號THRESHOLD，輸出端通過單穩(wěn)延時(shí)電路(26)接至與門(27)，運(yùn)算放大器(24)的正向輸入端與峰值檢測電路(14)的輸出端相接，反向輸入端接峰值閾值信號，輸出端接至與門(27)，與門(27)的輸出端接至觸發(fā)電路(28)，運(yùn)算放大器(25)的正向輸入端接地，反向輸入端與運(yùn)算放大器(23)的正向輸入端相接，輸出端接至觸發(fā)電路(28)，超聲波發(fā)射電路(9)的輸出端接至觸發(fā)電路(28)，觸發(fā)電路(28)的輸出端與計(jì)時(shí)電路(7)相接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種超聲波多維檢測與定位裝置,該裝置主要包括發(fā)射探頭、接收探頭、時(shí)序控制電路、超聲波發(fā)射電路、模擬信號處理電路、計(jì)時(shí)電路、渡越時(shí)間檢測電路、單片機(jī)及上位機(jī),其中接收探頭為兩個(gè)或三個(gè),模擬信號處理電路完成每一路超聲波接收信號的處理。本實(shí)用新型可動態(tài)檢測和顯示待測動點(diǎn)(發(fā)射探頭)在二維和三維工作空間的位置和坐標(biāo)值,并具有檢測精度高、可靠性好、測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01B21/02GK2344752SQ9824223
公開日1999年10月20日 申請日期1998年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月10日
發(fā)明者黃心漢, 王敏, 熊春山, 彭剛 申請人:華中理工大學(xué)