CN101470408B - 利用低频时钟的主动式测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用低频时钟的主动式测量的方法，包括：提供一频率为P兆赫兹的时钟作为发射信号的计数时钟；提供一频率为Q兆赫兹的时钟作为被测量信号的计数时钟；以(P×106)/(P×1000-1)赫兹的频率连续进行K次测量，则获得Q×K兆赫兹高频计数时钟；其中，所述的P、Q和K满足关系，Q×(P×1000-1)/P的余数为1/K。本发明能够实现主动式测量时发射信号和被测量信号时间间隔的高精度计数。
Description
技术领域
本发明涉及时间间隔的测量，具体地讲是一种利用低频率时钟实现主动式测量高精度计数的方法。
背景技术
主动式测量是指针对被动式测量主动发射一个信号，接收反射信号作为被测量信号。主动式测量在很多的应用领域得到广泛的应用，例如主动式激光测距、主动式雷达测距、脉冲反射超声测厚、脉冲反射超声探伤等相关应用领域，其基本的测量原理是主动的发射信号，通过对被测量信号的获取，根据发射信号和被测量信号的时间间隔，完成对时间、距离、速度、形状等测量。
主动式激光测距是通过主动发射激光信号，通过测量反射的激光信号来探测被探测物体的位置和距离。主动式雷达测距是通过主动发射微波信号，测量反射的微波信号来探测被探测物体的位置和距离。脉冲反射超声测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的仪器，当超声测厚仪的探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达二种不同材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。脉冲反射超声探伤是根据超声波脉冲反射原理来进行缺陷测量的仪器，当超声探伤仪的探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达内部缺陷时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测缺陷的位置。
请参照图1，主动式测量过程用发射控制信号脉冲和被测量信号脉冲表达形式，采用高频精确时钟在测量的时间内进行计数，总的计数值乘以时钟周期即为测得的时间间隔，测量精度为计数时钟的周期。测量的精度主要依靠发射信号和被测量信号的时间间隔的计数时钟的频率来保证，为了提高测量的时间精度，最显而易见的方法就是提高计数时钟的频率，但是随着计数时钟的频率提高，在实际设计中由于集成电路器件的限制，以及高速电路带来的技术难度以及成本提高，纯粹提高计数时钟的频率来提高测量的时间精度方法是不可行的。
目前实现测量高精度计数的方法有许多方法，见美国专利US4982350、US5365238、US4303983和US6754613。这些方法对主动式测量中应用和实现有着特殊的应用要求和技术难点，本发明利用多路相位合成和频率差合成的低频率时钟实现测量高精度计数的方法，结合主动式测量方式的特点，利用两个低频率时钟存在一定的对应关系，实现主动式测量时发射信号和被测量信号时间间隔的高精度计数。下面对美国专利双路频率差时钟方法通过具体的应用实例说明其基本原理和存在的技术难题。
请参照图2a，美国的双路高精度相位差的低频率时钟合成高精度计数的方法，利用2个频率差为10MHz的两个低频率时钟分别为100MHz和90MHz组合实现900MHz高精度计数，第1个脉冲信号为发射信号，第2个脉冲信号为脉冲反射信号，例如通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度，第1个脉冲发射信号来启动90MHz低频率时钟进行计数；第2个脉冲反射信号到来时计数值为n1，同时启动100MHz低频率时钟进行计数；通过判断100MHz低频率时钟沿和90MHz低频率时钟计数值判断，当100MHz低频率时钟计数值为n2时，两个时钟的计数值相同，此时100MHz低频率时钟沿和90MHz低频率时钟对齐，则在计算超声波在材料中传播的时间为两部分，第一部分为利用90MHz低频率时钟进行计数的整数周期部分t1＝n1/(90×106)秒，第二部分为利用90MHz低频率时钟和100MHz低频率时钟进行组合计数的非整数周期部分t2＝n2×(1/(90×106)-1/(100×106))秒，则超声波在材料中传播的时间为t＝t1+t2＝n1/(90×106)+n2×(1/(90×106)-1/(100×106))秒。
请参照图2b，双路频率差的低频率时钟合成高精度计数的方法，利用测量信号来启动100MHz和90MHz低频率时钟进行计数，要求具有测量信号和双路频率差的低频率时钟之间高精度同步，由于双路频率差的低频率时钟启动都是依靠时间测量信号来启动的，用第一个脉冲信号启动90MHz低频率时钟进行计数，脉冲信号启动90MHz低频率时钟需要经过延时时间为ty1，延时时间误差为Δty1；用第二个脉冲信号启动100MHz低频率时钟进行计数，脉冲信号启动100MHz低频率时钟需要经过延时时间为ty2，延时时间误差为Δty2；则第一部分为利用90MHz低频率时钟进行计数的整数周期部分t1+ty1+Δty1＝n1/(90×106)+ty1+Δty1秒，第二部分为利用90MHz低频率时钟和100MHz低频率时钟进行组合计数的非整数周期部分t2-(ty2+Δty2)＝n2×(1/(90×106)-1/(100×106))-(ty2+Δty2)秒，则超声波在材料中传播的时间为t＝t1+ty1+Δty1+t2-(ty2+Δty2)秒。由于采用测量信号来启动时钟信号，无论采用时钟晶体还是时钟芯片将延时时间误差控制在纳秒级都是很难实现的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用低频时钟的主动式测量方法，能够实现主动式测量时发射信号和被测量信号时间间隔的高精度计数。
本发明的另一目的在于提供一种采用上述主动式测量方法的测量装置，采用低成本的处理器和可编程器件或计数器，利用处理器和可编程器件或计数器低频率时钟存在一定的对应关系，实现主动式测量时发射信号和被测量信号时间间隔的高精度计数。
一方面，本发明的利用低频时钟的主动式测量的方法，包括：
提供一频率为P兆赫兹的时钟作为发射信号的计数时钟；
提供一频率为Q兆赫兹的时钟作为被测量信号的计数时钟；
以(P×106)/(P×1000-1)赫兹兹的频率连续进行K次测量；
其中，所述的P、Q和K满足关系，Q×(P×1000-1)/P的余数为1/K。
获得Q×K兆赫兹高频计数时钟。
另一方面，本发明的利用低频时钟的主动式测量装置，包括：
计数电路，所述计数电路包括可编程器件；
处理单元，所述处理单元控制以M赫兹发射超声波K次，以P兆赫兹对发射信号的时钟计数；
所述可编程器件以Q兆赫兹对反射信号的时钟计数；
其中所述的P、Q、M和K满足关系，Q×(P×M-1)/P的余数为1/K。
该测量装置还包括机身、显示屏、键盘、探头、接收插座、发射插座和放大整型电路，其中键盘输入指令给处理单元，由处理单元控制发射电路经发射插座输出电脉冲至探头，激励压电芯片产生脉冲超声波，超声波在被测物体上下两面之间形成多次反射，反射波由探头接收并经压电芯片转变成电信号，通过接收插座经放大整型电路放大整型后传送至计数电路，读取计数电路中的测量数据后传送至处理单元进行处理，并将最后结果输出至显示屏。
该测量装置为主动式激光测距仪、主动式雷达测距仪或脉冲反射超声探伤仪中的任何一种。
该测量装置为超声测厚仪。
本发明利用两个低频率时钟，作为主动式测量时发射信号的计数时钟以及被测量信号的计数时钟，利用两个低频率时钟存在一定的对应关系，实现主动式测量时发射信号和被测量信号时间间隔的高精度计数。
本发明利用低频率时钟代替高频率时钟，解决了高频率时钟设计和实现中带来的一系列技术问题，该发明专利对于美国的双路频率差的低频率时钟合成高精度计数的方法，解决了测量信号和双路频率差的低频率时钟之间高精度同步时间实现的难点，解决了低频率时钟高精度相位差产生的困难，以及低频率时钟高精度同步时间要求的苛刻。
本发明利用两个低频率时钟，作为主动式测量时发射信号的计数时钟以及被测量信号的计数时钟，主动式测量基本的表达形式用发射控制信号脉冲和被测量信号脉冲，采用低频时钟在测量的时间内进行多次计数利用两个低频率时钟存在一定的对应关系，实现主动式测量时发射信号和被测量信号时间间隔的高精度计数。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是主动式测量的原理示意图；
图2a是双路高精度频率差的低频率时钟合成高精度计数的方法的时钟示意图；
图2b是双路高精度频率差的低频率时钟合成高精度计数的方法存在延时和同步误差的时钟示意图；
图3是根据本发明的主动式测量原理的时钟示意图；
图4是根据本发明实施例的主动式测量的时钟示意图；
图5是根据本发明另一实施例的超声测厚仪的结构示意图；
图6是根据本发明另一实施例的超声测厚仪的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明实施例提供一种利用低频时钟的主动式测量方法和采用改方法的超声测厚仪。以下结合附图对本发明进行详细说明。
如图3所示，本发明的利用低频时钟的主动式测量方法利用两个频率分别为P兆赫兹和Q兆赫兹的低频率时钟作为主动式测量时发射信号的计数时钟以及被测量信号的计数时钟，以(P×106)/(P×1000-1)赫兹的频率连续进行K次测量，当发射信号计数时钟P兆赫兹、被测信号技术时钟Q兆赫兹，和测量次数满足以下关系Q×(P×1000-1)/P的余数为1/K时，能够实现主动式测量时发射信号和被测量信号时间间隔的高精度计数，能够达到Q兆赫兹的K倍的测量精度。
实施例1
下面参照图4所示的利用低频时钟的主动式测量的时钟示意图，具体说明本发明的利用低频时钟的主动式测量方法。本发明采用时钟频率4MHz的处理器，结合低成本的可编程器件进行39.84MHz计数频率，从而实现计数频率为1G的对测量时间的精确计数。可编程器件是利用硬件逻辑编程实现一定的逻辑和时序关系的器件。在第1次测量过程中，通过处理器低频率时钟控制发射脉冲信号，同时启动可编程器件或计数器低频率时钟对脉冲反射信号进行计数，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度；在第1次后经过处理器低频率时钟3999个周期后，通过处理器低频率时钟控制第2次发射脉冲信号，同时启动可编程器件或计数器低频率时钟对脉冲反射信号进行计数，而此时可编程器件或计数器低频率时钟39830.04个周期，既可编程器件或计数器低频率时钟与第一次测量时存在着0.04个周期的相位差；同理在第3次测量过程中，可编程器件或计数器低频率时钟与第一次测量时存在着0.08个周期的相位差，当第26次测量过程中，可编程器件或计数器低频率时钟与第一次测量时的相位相同。假设25次低频率时钟对传播的时间的计数分别为n1，n2，……，n25，则以996MHz高精度计数值为n＝n1+n2+……+n25，则计算超声波在材料中传播的时间为t＝n/996微秒。由于在耦合状态良好的状况下，以接近1KHz的频率连续进行25次测量，而且对于有源晶振其周期误差测量误差完全满足超声测厚要求，完成精度为0.002988mm超声测厚测量。
实施例2
该发明专利结合脉冲反射超声测厚仪的应用来具体说明，脉冲反射超声测厚仪是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的仪器，当超声测厚仪的探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达二种不同材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。
参照图5所示的超声测厚仪，该超声测厚仪包括有机身41，显示屏42，键盘43，探头44，接收插座45，发射插座46。其基本原理为由探头44发射超声波脉冲到达被测物体并在物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中的传播时间来确定被测材料的厚度，该超声测厚仪采用了本发明的利用低频时钟的主动式测量方法来测量超声波在材料中传输的时间。由键盘43输入指令，通过发射插座46给探头一个发射信号，由探头发射超声波脉冲并将超声脉冲反射信号通过接收插座45反馈给处理单元，信号经过处理获得的数据由显示屏42显示。
参照图6所示的超声测厚仪的电路原理示意图，由键盘53输入指令给处理单元51，由处理单元控制发射电路54输出电脉冲至探头，激励压电芯片产生脉冲超声波，超声波在被测物体上下两面之间形成多次反射，反射波经过压电芯片转变成电信号，经放大整型电路56进行放大整型后，传送至计数电路57，读取计数电路57中的测量数据后传送至处理单元51进行处理，并将最后结果输出至显示屏52。其中计数电路57中包括利用本发明的利用低频时钟的主动式测量方法控制反射波的计数时钟的可编程器件，处理单元51利用本发明的利用低频时钟的主动式测量方法控制超声波发射的时钟和测量频率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1. 一种利用低频时钟的主动式测量的方法，其特征在于，该方法包括：
提供一频率为P兆赫兹的时钟作为发射信号的计数时钟；
提供一频率为Q兆赫兹的时钟作为被测量信号的计数时钟；
以(P×106)/(P×1000-1)赫兹的频率连续进行K次测量；
其中，所述的P、Q和K满足关系，Q×(P×1000-1)/P的余数为1/K。
2. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述的P兆赫兹和Q兆赫兹频率时钟为频率低于100兆赫兹的低频率时钟。
3. 一种利用低频时钟的主动式测量装置，其特征在于，该测量装置包括：
计数电路，所述计数电路包括可编程器件；
处理单元，所述处理单元控制以(P×106)/(P×1000-1)赫兹发射超声波K次，以P兆赫兹对发射信号的时钟计数，获得Q×K兆赫兹高频计数时钟；
所述可编程器件以Q兆赫兹对反射信号的时钟计数；
其中所述的P、Q和K满足关系，Q×(P×1000-1)/P的余数为1/K。
4. 根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：该测量装置还包括机身、显示屏、键盘、探头、接收插座、发射插座和放大整型电路，其中键盘输入指令给处理单元，由处理单元控制发射电路经发射插座输出电脉冲至探头，激励压电芯片发射主动探测信号，主动探测信号被测物体反射，反射探测信号由探头接收并经压电芯片转变成电信号，通过接收插座经放大整型电路放大整型后传送至计数电路，读取计数电路中的测量数据后传送至处理单元进行处理，并将最后结果输出至显示屏。
5. 根据权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于：该测量装置为主动式激光测距仪、主动式雷达测距仪或脉冲反射超声探伤仪中的任何一种。
6. 根据权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于：该测量装置为超声测厚仪。
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