CN202661480U - 一种基于超声调制多频声波的加速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于超声调制多频声波的加速度测量装置，所述装置包括操作模块、控制模块、处理模块、收发模块以及显示模块；处理模块与控制模块、收发模块以及显示模块连接，处理模块根据控制模块的指令进行数据处理，通过获取测量信号的波形及数据，对回波数据进行分析处理得出加速度检测的结果，并把加速度的检测结果传输给显示模块显示。本实用新型利用多频声波构造测量信号，测量信号碰到所测目标后反射，检测反射回来的回波信号，计算回波信号相对于发射信号的频率变化项来检测加速度。本实用新型计算精度高，抗噪能力好，克服现有加速度测量方法及加速度计必须在所测目标上安装传感器以及难以适用于水下环境等液体环境的不足。

Description

一种基于超声调制多频声波的加速度测量装置

技术领域

本实用新型涉及声波测量技术，具体涉及一种利用多频声波进行一维到三维运动目标的加速度测量装置。

背景技术

各个领域对加速度测量的需求越来越多，这些需求推进着加速度测量技术的不断发展。目前有不少的加速度测量方法及对应的加速度计，较常用的加速度计有硅微技术的加速度计(包括：硅电容、硅电阻、硅压电、电子隧道等加速度计)、力平衡加速度计，以及光纤加速度计等。硅电容、硅压阻、硅压电加速度计基本原理类似，它们都是通过被测加速度使检测质量发生运动或者位移，进而由检测质量的运动或位移分别使电容器的电容量、压阻阻值以及压电极板间的电荷量发生变化，再由电桥测量出这些变化量从而就可以检测出被测加速度。电子隧道加速度计是利用隧道效应，通过被测加速度使检测质量发生位移进而使其与隧道探针之间的距离发生变化，此时电子探针和被测物体间会产生巨大的电流变化，只要检出此电流变化就能检测出被测加速度。力平衡加速度计的基本工作原理是通过被测加速度使检测质量发生位移，此时力平衡电路就会产生一个大小相等方向相反的静电力作为反馈来，这个反馈的力与产生位移的力平衡从而使检测质量的位移归零，只要检测出反馈输出电压就能检测出被测加速度。光纤加速度计的基本原理是被测加速度使检测质量发生位移，进而使得耦合到入射光纤的光功率发生变化，然后经过光电转换等一系列变化，检测出光功率变化量从而检测出被测加速度。

由此可见，目前常用的加速度计都是基于牛顿第二定律，通过将加速度a在检测质量m上产生方向相反的惯性力F(通常表现为检测质量的位移)转换成电信号或其他可测信号从而测出加速度。可是，基于这样原理所制作的加速度计必定要在所测目标上安装检测质量及传感器，但很多应用上却不能预先接触所测目标，或所测目标不允许装上这样的检测质量及传感器，这时目前常用的加速度测量方法就不能使用了。此外，目前的加速度计在水下的应用也成了一个难题。海洋面积占据了地球70％以上的表面积，人类的活动空间正越来越多地转向海洋。水下加速度的测量需求也日益增多，例如潜艇导航、鱼雷制导等等。目前常用的加速度传感器在水介质中受到流体、压力等因素影响，往往难以方便直接地应用，研究适用于水下加速度测量的新方法尤为急切。现在常用的方法是提高加速度计或传感器的密封性(CN201020248943.3)，但这样致使加速度计的结构和工艺非常复杂而且不能从根本上解决问题。

本实用新型基于多频声波回波信号的加速度测量方法与装置，可以很好地解决上述两个难题。由于本实用新型是从声波回波信号处理的角度来测量加速度，打破了目前加速度计的限制，不需要在所测目标上安装传感器；另外，声波在水中衰减相对较小，因此本实用新型提出的方法适用于水下环境。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有加速度测量方法及加速度计必须在所测目标上安装传感器以及难以适用于水下环境等液体环境的不足，提供一种基于超声调制多频声波的加速度测量装置。本实用新型通过以下技术方案实现。

一种基于超声调制多频声波的加速度测量装置，其包括操作模块、控制模块、处理模块、收发模块以及显示模块；

操作模块与控制模块相连，用于人机交互，选择测量信号的频率；

控制模块和操作模块、处理模块、收发模块以及显示模块均相连，控制模块主要用于根据操作模块的指令，对处理模块、收发模块和显示模块进行控制；

处理模块与控制模块、收发模块以及显示模块连接，处理模块主要用于根据控制模块的指令进行数据处理，通过与收发模块相连产生与获取测量信号的波形及数据，对回波数据进行分析处理得出加速度检测的结果，处理模块通过与显示模块相连把加速度的检测结果传输给显示模块显示；

收发模块和控制模块以及处理模块相连，主要用于根据控制模块的指令，从处理模块中的调制器中获取测量信号进行超声发射，以及接收所测目标反射回来的回波信号并传送给处理模块的解调器进行解调；

显示模块与控制模块与处理模块相连，主要用于根据控制模块的指令，将处理模块得到的加速度检测值进行显示。

上述的加速度测量装置中，所述处理模块主要包括数字处理器、调制解调器、振荡器、分频器和数模转换器，其中，调制解调器包括调制器和解调器，数字处理器与数模转换器连接，数模转换器还与解调器和第三分频器连接，数字处理器还与显示模块、第一分频器、第二分频器、第三分频器和调制器连接，振荡器分别与第一分频器、第二分频器和第三分频器连接，第二分频器还分别调制器和解调器连接，解调器和调制器还与收发模块连接。

上述的加速度测量装置中，所述收发模块包括一个以上的超声探头。

上述的加速度测量装置中，所述数字处理器和数模转换器采用DSP芯片或者ARM芯片实现。

上述的加速度测量装置中，所述调制解调器采用乘法电路实现。所述振荡器采用20M晶体振荡器；所述分频器采用锁相环电路实现。

上述测量装置中，所述处理模块主要包括数字处理器、调制解调器、振荡器、若干分频器和数模转换器，其中，数字处理器根据控制模块的指令产生基带多频声波信号以及调制解调用的超声信号，数字处理器还从数模转换器中获取接收信号的数据进行滤波，把多频基带信号分解成多路带宽信号；然后进行计算处理，得出加速度的检测结果，并将计算的最终结果传输给显示模块显示；调制解调器用于将基带多频信号调制成发射信号传输给收发模块进行发射，以及从收发模块处获取接收信号，将接收到的信号解调成基带多频信号；振荡器和分频器主要用于产生各种适用的频率；数模转换器负责从解调器处获取解调后的多频基带信号，进行数模转换，把接收的模拟信号转换成数字信号便于数字处理器处理。

上述加速度测量装置的测量方法是，利用多频声波构造测量信号，测量信号碰到所测目标后反射，产生回波，检测反射回来的回波信号，计算回波信号相对于发射信号的频率变化项来检测加速度。具体包括如下步骤：

第一，利用频分复用技术，构造多频声信号作为基带信号，用超声载波对基带信号进行调制，调制频率为f_c，从而得到发射信号；

第二，将调制好的超声信号发射出去，信号碰到所测目标后反射，产生回波，检测反射回来的回波信号，解调得到基带回波信号；

第三，对解调后的多频基带信号进行分解，得到多路带宽信号；

第四，对分解后的每路单频信号计算其相对于发射信号的频率变化项，得到多个加速度检测值；

第五，对多路的加速度检测值取平均，得到最终的加速度检测值。

上述的加速度测量方法中，当目标点在一个二维平面内运动时，在该运动平面布置两个信号发射点，且两个信号发射点与所测目标三点不在一条直线上，通过所述第一至第五步骤检测出两个方向的加速度矢量，将这两个加速度矢量通过几何计算，得到总的加速度矢量。

上述的加速度测量方法中，当目标点在一个三维空间中运动时，在运动空间中布置三个信号发射点，且这三个信号发射点和目标点不能在一个平面上，通过所述第一至第五步骤检测出不在同一个平面三个方向的加速度矢量，将这三个加速度矢量通过几何计算，得到总的加速度矢量。

上述的加速度测量方法中，所述计算包括：

基带多频信号由N路单频信号叠加而成，N≥1，其中第i路单频信号为s_i(t)＝A_icos(2πf_it)，A_i表示第i路单频信号的幅度，f_i表示第i路单频信号的频率，因此得到的基带多频信号为：

$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{i}t\right),0\&le;t<T,1\&le;i<N$ (公式1)

式中，T为测量信号的时长；

运动目标作变速运动，以发射测量信号的时刻为时间0点，此时，第k个发射点Sk离目标的初始距离为l_k0，目标以速度v₀，、加速度a做变速运动，k取值为正整数，目标在发射点S_k与目标连线的方向上的运动速度分量为v_0k，目标在发射点S_k与目标连线的方向上的加速度分量为a_k，随着时间的变化，发射点Sk与目标之间的距离l_k为：

$l_k=l_{k0}+v_{0k}t+\frac{1}{2}{a}_k{t}^2$ (公式2)

t时刻所接收到的回波所传播的距离为v_声t，其中v_声为在某种气体或液体测量环境中声波传送的速度，，

为测量信号单程所传播的距离，满足：

(公式3)

因此发射点Sk接收到测量声波的回波为：

(公式4)

其中，B_ki为发射点Sk接收第i路回波的幅度，对(公式4)进行整理，得到：

(公式5)

由于发射的基带多频信号的时长满足0≤t＜T，所以接收到的多路带宽信号的时长满足：

(公式6)

由上式解出接收到的多路带宽信号的持续时长为T′，因此算出第i路带宽信号的频率范围为

用带宽内为通带的带通滤波器将第i路的带宽信号分解出来；为了避免重叠，基带多频信号的第i+1路信号与第i路信号所采用的频率满足：

(公式7)

求解(公式7)，加上保护间隔Δf，得到相邻两路所采用的声波频率应该满足下面条件：

(公式8)

这里的加速度分量a_k为正值表示其方向在目标远离发射点Sk的方向上，如果加速度分量a_k为负值这表示其方向在目标靠近发射点Sk的方向上；

用数字滤波器对接收的回波信号进行滤波，把接收到的多路带宽信号分解出来，其中，数字滤波器的每个带通频段范围为

i代表不同频段，一共有N段，因此用N个带通滤波器将N路带宽信号提取出来，其中Sk接收到回波的第i路为：

(公式9)

接收到的信号频率与目标的加速度有关，利用数字信号处理的方法把各路信号的

计算出来，并由此检测出加速度的值：

(公式10)

其中

表示发射点Sk第i路信号得到的加速度分量检测值，若加速度分量为正表示目标在发射点与目标连线方向上远离目标运动，若加速度分量为负表示在此方向靠近目标运动。

与现有技术相比，本实用新型应用范围广，计算精度高，抗噪能力好，成本低廉，安装简单，使用方便。

第一，本实用新型突破了现有加速度测量技术的限制，不需要在所测目标上安装传感器，而只需要发送声波测量信号，利用回波检测出目标的加速度信息；当然，根据应用的需求，也可以将本实用新型安装在运动目标上，原来的发射点改为相应的反射点，利用回波测自身的加速度信息。

第二，另外，由于本实用新型采用的是声波测量信号，声波在水中的衰减相对较小，因此本实用新型可以用于水下环境的加速度测量；当然，除了水下环境，本实用新型还可以广泛应用于各种环境，像是气体介质中、甚至各种声波衰减较小的液体介质中。

第三，本实用新型测量精度高。随着数字信号处理特别是频率估计方法的成熟，本实用新型的加速度测量可以达到较高的精度。

第四，本实用新型抗噪能力好。本实用新型利用多频信号构造的测量信号进行加速度测量，通过对各路信号加速度检测值取平均得出最后的加速度检测值。取平均的过程能将噪声互相抵消，减小噪声的影响。

第五，本实用新型可行性强、成本低廉、安装简单。本实用新型装置所需的部件都是易于获取、成本低廉的，另外，随着现代处理器计算处理能力的不断提高，本实用新型的算法的计算不再是难题，保证的本实用新型的可行性。本实用新型装置结构简单，安装简易，收发模块与处理模块可以采用有线和无线两种方式连接，适应各种应用场景。

附图说明

图1为实施方式中测量装置的模块组成框图。

图2为收发模块采用有线连接方式时的具体装置组成框图。

图3为收发模块采用无线连接方式时的具体装置组成框图。

图4为加速度检测原理流程图。

图5为目标的运动示意图。

图6a为基带多频测量信号的时频示意图。

图6b为测量信号回波的时频示意图。

图7为测量装置的工作流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步的说明，但本实用新型的实施和保护不限于此。

如图1，基于超声调制多频声波的加速度测量主要包括以下五个模块：操作模块105、控制模块104、处理模块102、收发模块103以及显示模块101。操作模块与控制模块相连，主要用于人机交互，选择测量信号的频率等。控制模块和操作模块、处理模块、收发模块以及显示模块均相连，控制模块主要根据操作模块的指令，对处理模块、收发模块和显示模块进行控制。

处理模块与控制模块、收发模块以及显示模块连接，它根据控制模块的指令进行数据处理，通过与收发模块相连产生与获取测量信号的波形及数据，对回波数据进行分析处理得出加速度检测的结果，与显示模块相连把加速度的检测结果传输给显示模块显示。处理模块是整个装置的核心模块，主要包括数字处理器、调制解调器、振荡器、若干分频器、数模转换器等部分。其中，数字处理器根据控制模块的指令产生基带多频声波信号以及调制解调用的超声信号；另外，它从数模转换器中获取接收信号的数据进行滤波，把多频基带信号分解成多路带宽信号；然后进行计算处理，得出加速度的检测结果，并将计算的最终结果传输给显示模块显示。调制解调器用于将基带多频信号调制成发射信号传输给收发模块进行发射，以及从收发模块处获取接收信号，将接收到的信号解调成基带多频信号。振荡器和分频器主要用于产生各种适用的频率；分频器主要有三个，第一分频器用于产生基带多频信号的频率，第二分频器用于产生超声载波的信号频率，第三分频器由于产生数模转换器的时钟信号的频率。数模转换器负责从解调器处获取解调后的多频基带信号，进行数模转换，把接收的模拟信号转换成数字信号便于数字处理器处理。

收发模块和控制模块以及处理模块相连，根据控制模块的指令，从处理模块的调制器中获取发射信号发射，以及接收测量信号传送给处理模块的解调器进行解调。显示模块与控制模块与处理模块相连，根据控制模块的指令，将处理模块得到的加速度检测值进行显示(包括加速度的大小和方向)。

本实用新型装置的主要工作流程如下：操作者通过操作模块输入对应参数，控制模块根据操作模块的指令对处理模块产生相应的指令。处理模块就根据指令信息配置各个分频器的参数，产生基带多频信号与超声调制信号，调制器用超声调制信道对基带多频信号进行调制，形成发射信号，传送到收发模块发射。然后收发模块根据控制模块的指令接收测量信号的回波，传送给处理模块处理。处理模块先对接收到的回波通过解调器进行解调，然后通过数模转换器将解调后的波形转换成数字信号，接着将转换后的数字信号进行数字滤波得到多路带宽信号，进而用多路带宽提取以及计算加速度检测值。最后将计算出来的加速度检测值传送给显示模块输出加速度测量结果。

各模块按照图1的方式连接。各个模块的具体构成可参见图2和图3，图2为收发模块采用有线方式连接的具体装置组成图，图3为收发模块采用无线方式连接的具体装置组成图。处理模块中的数字处理器(205、305)可以用DSP芯片或者ARM等实现(如：TI公司TMS320C2812的DSP芯片)；调制解调器(202、207、302、307)可以用乘法电路实现；振荡器(204、304)可以选用20M晶体振荡器，分频器可以用锁相环电路实现；数模转换器(206、306)也可以用DSP芯片实现。收发模块中含有三个超声探头(208、309)(测量二维加速度的时候为两个)，即超声波转换器，实现电信号与超声信号的转换。另外，收发模块可以采用有线和无线两种连接方式，在采用无线连接方式时，如图3，可以利用2.4G的射频收发模块308实现。

本实施方式的加速度测量计算原理流程如图4。

基带多频信号由N(N≥1)路单频信号叠加而成，第i路单频信号为s_i(t)＝A_icos(2πf_it)，A_i表示第i路单频信号的幅度，f_i表示第i路单频信号的频率。因此得到的基带多频信号可以表示成：

$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{i}t\right),0\&le;t<T,1\&le;i<N$ (公式1)

式中，T为测量信号的时长。基带多频测量信号的时频示意图如图6a所示。

运动目标作变速运动，如图5，以发射测量信号的时刻为时间0点，此时，发射点S_k(k＝1，2，…，k为整数)离目标的初始距离为l_k0，目标以速度v₀，、加速度a做变速运动。目标在发射点S_k与目标连线的方向上的运动速度分量为v_0k，目标在发射点S_k与目标连线的方向上的加速度分量为a_k。随着时间的变化，发射点S_k与目标之间的距离l_k可以写成：

$l_k=l_{k0}+v_{0k}t+\frac{1}{2}{a}_k{t}^2$ (公式2)

t时刻所接收到的回波所传播的距离为v_声t(其中v_声为在某种气体或液体测量环境中声波传送的速度)，

为测量信号单程所传播的距离，满足：

(公式3)

因此发射点Sk接收到测量声波的回波可以写成：

(公式4)

其中，B_ki为发射点Sk接收第i路回波的幅度，对(公式4)进行整理，可以得到：

(公式5)

由于发射的基带多频信号的时长满足0≤t＜T，所以接收到的多路带宽信号的时长满足：

(公式6)

由上式可以解出接收到的多路带宽信号的持续时长为T′。因此可以算出第i路带宽信号的频率范围为

用带宽内为通带的带通滤波器可以将第i路的带宽信号分解出来。另外，应该注意的是，为了避免重叠，基带多频信号的第i+1路信号与第i路信号所采用的频率应该满足：

(公式7)

求解(公式7)，加上保护间隔Δf，可以得到相邻两路所采用的声波频率应该满足下面条件：

(公式8)

这里的加速度分量a_k为正值(也就是说其方向在目标远离发射点Sk的方向上，为便于描述下文都按此情况说明)。如果加速度分量a_k为负值(其方向在目标靠近发射点Sk的方向上)，类似地可以写出相应形式的信号带宽以及采用频率所应该满足的条件。

用数字滤波器对接收的回波信号进行滤波，把接收到的多路带宽信号分解出来。其中，数字滤波器的每个带通频段范围为

i代表不同频段，一共有N段。因此用N个带通滤波器可以将N路带宽信号提取出来，其中Sk接收到回波的第i路为：

(公式9)

测量信号回波的时频示意图如图6b所示，图中T_接为接收到回波的时间点。可以看到，接收到的信号频率与目标的加速度有关，利用数字信号处理的方法(如频率估计算法)可以把各路信号的(也就是图6b时频示意图中线段的斜率)计算出来，并由此可以检测出加速度的值：

(公式10)

其中

表示发射点Sk第i路信号得到的加速度分量检测值，若加速度分量为正表示目标在发射点与目标连线方向上远离目标运动，若加速度分量为负表示在此方向靠近目标运动。

(1)一维加速度测量

对发射点Sk的N路带宽信号进行上述的加速度检测，得到

对这N个检测值取平均，得到发射点Sk与目标连线方向的加速度分量检测值为：

$\widehat{a_k}=\frac{1}{N}(\widehat{a_{k1}}+\widehat{a_{k2}}+...+\widehat{a_{\mathrm{kN}}})$ (公式11)

当目标作一维线性运动时，通过上述的方法就可以得出检测值。

当目标在作二维或三维运动时，可以通过一维加速度测量检测出各个发射点与目标连线上的加速度分量，再通过几何计算将这些加速度分量合成总加速度。具体运算方法如下所述。

(2)二维加速度测量

当目标在一个二维平面运动的时候，可以布置两个发射点(这两个发射点与目标三点不在一条直线上)，这样可以检测出两个加速度分量和

如图5。假设发射点S1的坐标为(x1，y1)，发射点S2的坐标为(x2，y2)，利用回波信息不难求出目标的坐标(x3，y3)。方向的斜率可以写成ka1＝(y3-y1)/(x3-x1)、

方向的斜率可以写成ka2＝(y3-y2)/(x3-x2)。求解下面两个方程组，则分别可以求出B点(B点是发射点S1与目标连线上离目标长度为

的点，且B点在目标与发射点的线段外)和C点(C点是发射点S2与目标连线上离目标长度为

的点，且C点在目标与发射点的线段外)的坐标(xB，yB)、(xC，yC)：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x3)}^2+{(y-y3)}^2=\widehat{{a_1}^2}\\ y-y3=\mathrm{ka}1\&CenterDot;(x-x3)\\ \frac{x-x3}{x3-x1}>0\end{array}\right.$ (公式12)

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x3)}^2+{(y-y3)}^2=\widehat{{a_2}^2}\\ y-y3=\mathrm{ka}2\&CenterDot;(x-x3)\\ \frac{x-x3}{x3-x2}>0\end{array}\right.$ (公式13)

过B点、C点作分别与ka1、ka2垂直的两条直线(即两条直线的斜率分别为-1/ka1、-1/ka2)，相交于A点，也就是说解下面的方程组可以得到A点的坐标(xA，yA)：

$\left\{\begin{array}{c}y-\mathrm{yB}=-\frac{1}{\mathrm{ka}1}(x-\mathrm{xB})\\ y-\mathrm{yC}=-\frac{1}{\mathrm{ka}2}(x-\mathrm{xC})\end{array}\right.$ (公式14)

那么所测加速度矢量的方向为(xA-x3，yA-y3)，大小为

(3)三维加速度测量

当目标在三维空间运动时可以布置三个发射点(这三个反射点与目标四点不在同一个平面上)，这样可以检测出三个加速度分量和

类似地，假设发射点S1的坐标为(x1，y1，z1)，发射点S2的坐标为(x2，y2，z2)，发射点S3的坐标为(x3，y3，z3)，利用回波信息不难求出目标的坐标(x4，y4，z4)。

的方向向量可以写成n1＝(x4-x1，y4-y1，z4-z1)、

的方向向量可以写成n2＝(x4-x2，y4-y2，z4-z2)、

的方向向量可以写成n3＝(x4-x3，y4-y3，z4-z3)。求解下面三个方程组可以得到代表三个加速度分量B点(B点是发射点S1与目标连线上离目标长度为

的点，且B点在目标与发射点的线段外)、C点(C点是发射点S2与目标连线上离目标长度为

的点，且C点在目标与发射点的线段外)、D点(D点是发射点S3与目标连线上离目标长度为

的点，且D点在目标与发射点的线段外)的坐标(xB，yB，zB)、(xC，yC，zC)、(xD，yD，zD)：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x4)}^2+{(y-y4)}^2+{(z-z4)}^2=\widehat{{a_1}^2}\\ \frac{x-x4}{x4-x1}=\frac{y-y4}{y4-y1}=\frac{z-z4}{z4-z1}\\ \frac{x-x4}{x4-x1}>0\end{array}\right.$ (公式15)

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x4)}^2+{(y-y4)}^2+{(z-z4)}^2=\widehat{{a_2}^2}\\ \frac{x-x4}{x4-x2}=\frac{y-y4}{y4-y2}=\frac{z-z4}{z4-z2}\\ \frac{x-x4}{x4-x2}>0\end{array}\right.$ (公式16)

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x4)}^2+{(y-y4)}^2+{(z-z4)}^2=\widehat{{a_3}^2}\\ \frac{x-x4}{x4-x3}=\frac{y-y4}{y4-y3}=\frac{z-z4}{z4-z3}\\ \frac{x-x4}{x4-x3}>0\end{array}\right.$ (公式17)

过B点、C点、D点以n1、n2、n3为法向量作三个平面，相交于点A，也就是说解下面方程组可以得到点A坐标(xA，yA，zA)：

$\left\{\begin{array}{c}(x4-x1)(x-\mathrm{xB})+(y4-y1)(y-\mathrm{yB})+(z4-z1)(z-\mathrm{zB})=0\\ (x4-x2)(x-\mathrm{xC})+(y4-y2)(y-\mathrm{yC})+(z4-z2)(z-\mathrm{zC})=0\\ (x4-x3)(x-\mathrm{xD})+(y4-y3)(y-\mathrm{yD})+(z4-z3)(z-\mathrm{zD})=0\end{array}\right.$ (公式18)

那么所测加速度矢量的方向为(xA-x4，yA-y4，zA-z4)，大小为 $\sqrt{{(\mathrm{xA}-x4)}^2+{(\mathrm{yA}-y4)}^2+{(\mathrm{zA}-z4)}^2}.$

本实用新型为了避免基带多频信号被其他声波信号干扰，用超声信号将基带多频信号进行调制，以超声波的形式发送测量信号，接收超声波的回波信号在解调成基带回波信号，进而采用上述的方法实现加速度的检测。

本实施方式测量装置的工作步骤如图7所示，具体如下：

步骤1：输入操作参数，***检测操作模块是否有操作请求，如果有将操作模块的信息传送给控制模块。

步骤2：控制模块根据操作模块的信息，向处理模块、收发模块以及显示模块发送控制信息。

控制模块给处理模块发送的控制信息主要有基带多频信号的频率个数N、三个分频器的控制参数(分别控制基带频率、超声载波频率以及采样频率)；给收发模块发送的控制信息主要包括什么时候发送调制好的发送信号以及什么时候接收回波信号；给显示模块发送的控制信号主要是什么时候显示结果。

其中，基带频率是多频测量信号的一系列频率f₁、f₂......f_N，它们之间的间隔要满足公式8的要求。为了保证频率间的间隔足够大，我们可以通过操作***输入测量范围内运动目标的一些参数，如最大初始速度v_0k，max、最大加速度a_k，max，以及接收信号的最大持续时间T′_max。然后，根据应用环境查找对应的声波传播速度v_声，如表1。最后，根据经验输入一个保护间隔Δf。将上述的参数值代入公式8也就可以确定基带频率间的间隔。

表1

介质	声速(m/s)
		空气(0℃)	331
空气(15℃)	340
		空气(25℃)	346
甲醇(25℃)	1121
		乙醇(25℃)	1168
丙酮(25℃)	1190
		煤油(25℃)	1324
水(25℃)	1500
		海水(25℃)	1531

步骤3：控制模块根据控制信息分配基带多频信号频率、超声频率以及采样频率，产生基带多频信号以及超声调制信号。

步骤4：调制器用超声调制信号调制多频基带信号，形成最终的发射信号，将发射信号通过有线或无线的方式传送给收发模块发射。

步骤5：收发模块接收回波信号，将回波信号传送给处理模块，处理模块对回波信号进行解调以及模数转换。其中，模数转换的采样频率在步骤2和步骤3时确定。

步骤6：判定接收到的回波信号是否有效，无效则重新接收回波信号。

回波信号的有效性可以用能量检测法进行判定，如果解调后的回波能量大于一个阈值就可以判定该回波信号为有效信号。

步骤7：将有效的回波信号，进行加速度检测。具体的检测方法可以参见图4。

步骤8：将加速度的检测结果(包括方向和大小)传送给显示模块，显示模块将结果显示。

Claims (6)

1.一种基于超声调制多频声波的加速度测量装置，其特征在于包括操作模块、控制模块、处理模块、收发模块以及显示模块；

操作模块与控制模块相连，用于人机交互，选择测量信号的频率；

控制模块和操作模块、处理模块、收发模块以及显示模块均相连，控制模块主要用于根据操作模块的指令，对处理模块、收发模块和显示模块进行控制；

处理模块与控制模块、收发模块以及显示模块连接，处理模块主要用于根据控制模块的指令进行数据处理，通过与收发模块相连产生与获取测量信号的波形及数据，对回波数据进行分析处理得出加速度检测的结果，处理模块通过与显示模块相连把加速度的检测结果传输给显示模块显示；

收发模块和控制模块以及处理模块相连，主要用于根据控制模块的指令，从处理模块中的调制器中获取测量信号进行超声发射，以及接收所测目标反射回来的回波信号并传送给处理模块的解调器进行解调；

显示模块与控制模块与处理模块相连，主要用于根据控制模块的指令，将处理模块得到的加速度检测值进行显示。

2.根据权利要求1所述的加速度测量装置，其特征在于所述处理模块主要包括数字处理器、调制解调器、振荡器、分频器和数模转换器，其中，调制解调器包括调制器和解调器，数字处理器与数模转换器连接，数模转换器还与解调器和第三分频器连接，数字处理器还与显示模块、第一分频器、第二分频器、第三分频器和调制器连接，振荡器分别与第一分频器、第二分频器和第三分频器连接，第二分频器还分别调制器和解调器连接，解调器和调制器还与收发模块连接。

3.根据权利要求2所述的加速度测量装置，其特征在于所述收发模块包括一个以上的超声探头。

4.根据权利要求2所述的加速度测量装置，其特征在于所述数字处理器和数模转换器采用DSP芯片或者ARM芯片实现。

5.根据权利要求2所述的加速度测量装置，其特征在于所述调制解调器采用乘法电路实现。

6.根据权利要求2~5任一项所述的加速度测量装置，其特征在于所述振荡器采用20M晶体振荡器；所述分频器采用锁相环电路实现。

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