JP2002014166A - 音波計測装置 - Google Patents
音波計測装置Info
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- JP2002014166A JP2002014166A JP2000197741A JP2000197741A JP2002014166A JP 2002014166 A JP2002014166 A JP 2002014166A JP 2000197741 A JP2000197741 A JP 2000197741A JP 2000197741 A JP2000197741 A JP 2000197741A JP 2002014166 A JP2002014166 A JP 2002014166A
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- signal
- sound wave
- beat
- circuit
- transmission
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 音波の伝搬時間を高精度で計測することであ
る。 【解決手段】 送信信号生成回路3が所定周期で信号レ
ベルが掃引される変調信号で周波数変調された送信信号
を送信素子2aに入力して送信素子2aから送信音波を
発し、該送信音波を受信素子2bで受信してその受信信
号を、混合回路45にて送信信号生成回路3から出力さ
れた送信信号と混合してうなり信号を発生し、うなりか
ら音波の伝搬時間を求めるように構成するとともに、受
信信号を混合回路45に入力するに先立ち二値化する二
値化回路42を設けて耐ノイズ性を高める。
る。 【解決手段】 送信信号生成回路3が所定周期で信号レ
ベルが掃引される変調信号で周波数変調された送信信号
を送信素子2aに入力して送信素子2aから送信音波を
発し、該送信音波を受信素子2bで受信してその受信信
号を、混合回路45にて送信信号生成回路3から出力さ
れた送信信号と混合してうなり信号を発生し、うなりか
ら音波の伝搬時間を求めるように構成するとともに、受
信信号を混合回路45に入力するに先立ち二値化する二
値化回路42を設けて耐ノイズ性を高める。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は音波計測装置に関
し、特に伝搬時間の計測精度の向上に関する。
し、特に伝搬時間の計測精度の向上に関する。
【0002】
【従来の技術】音波、特に超音波は魚群探知やガス濃度
計測を始め種々の分野で用いられており、音波計測装置
では、送信した音波の伝搬時間等を計測して距離や音波
の媒質となるガス中の特定成分の濃度等の物性を計測す
る。伝搬時間等の計測技術としてFM−CW法がよく知
られている。
計測を始め種々の分野で用いられており、音波計測装置
では、送信した音波の伝搬時間等を計測して距離や音波
の媒質となるガス中の特定成分の濃度等の物性を計測す
る。伝搬時間等の計測技術としてFM−CW法がよく知
られている。
【0003】図13は音波計測装置の応用例であるFM
−CWレーダ装置の構成を示すもので、FM−CWレー
ダ装置は送信アンテナ91a、受信アンテナ91bが探
査対象99に向けて配置される。そして、周波数変調波
発生回路92が、所定周期で信号レベルが掃引する信号
を変調信号として周波数変調された信号を生成し、これ
が送信信号としてRF信号発生回路93および方向性結
合器94を介して送信アンテナ91aに伝送され、送信
アンテナ91aから送信される。
−CWレーダ装置の構成を示すもので、FM−CWレー
ダ装置は送信アンテナ91a、受信アンテナ91bが探
査対象99に向けて配置される。そして、周波数変調波
発生回路92が、所定周期で信号レベルが掃引する信号
を変調信号として周波数変調された信号を生成し、これ
が送信信号としてRF信号発生回路93および方向性結
合器94を介して送信アンテナ91aに伝送され、送信
アンテナ91aから送信される。
【0004】送信波は探査対象99で反射して受信アン
テナ91bで受信される。この受信信号の位相は、伝搬
時間に基因して、周波数変調波発生回路92で生成され
た送信信号と異なり、したがって、受信信号の周波数も
送信信号と異なる。受信信号は送信信号ともにミクサ9
5に入力し、ミクサ95で混合されてうなり信号を発生
する。このうなり信号はA/D変換器96でデジタル化
された後、これにウィンドウ処理回路でウィンドウ処理
がなされてから2回離散フーリエ変換回路98にて2回
離散フーリエ変換されて超音波の伝搬時間等に基づいて
探査対象99との距離および相対速度を得る(特開平5
−40168号公報等)。
テナ91bで受信される。この受信信号の位相は、伝搬
時間に基因して、周波数変調波発生回路92で生成され
た送信信号と異なり、したがって、受信信号の周波数も
送信信号と異なる。受信信号は送信信号ともにミクサ9
5に入力し、ミクサ95で混合されてうなり信号を発生
する。このうなり信号はA/D変換器96でデジタル化
された後、これにウィンドウ処理回路でウィンドウ処理
がなされてから2回離散フーリエ変換回路98にて2回
離散フーリエ変換されて超音波の伝搬時間等に基づいて
探査対象99との距離および相対速度を得る(特開平5
−40168号公報等)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平5−40168号公報記載のFM−CW法を応用し
た装置では、音波の伝搬距離等によって受信信号が減衰
し、これによりノイズの影響を大きく受けてうなり信号
から正確にうなり周波数が得られず、必ずしも計測精度
が十分ではないという問題があった。
開平5−40168号公報記載のFM−CW法を応用し
た装置では、音波の伝搬距離等によって受信信号が減衰
し、これによりノイズの影響を大きく受けてうなり信号
から正確にうなり周波数が得られず、必ずしも計測精度
が十分ではないという問題があった。
【0006】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
正確にうなり周波数が得られる音波計測装置を提供する
ことを目的とする。
正確にうなり周波数が得られる音波計測装置を提供する
ことを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明で
は、送信信号生成回路が、所定周期で信号レベルが掃引
する信号を変調信号として周波数変調して送信信号を生
成し送信素子に出力するとともに、送信素子からの音波
を受信素子が受信する受信信号と、送信素子に出力され
る送信信号とを混合回路で混合し、混合される2信号の
位相差により発生するうなりの周波数を計測し、うなり
周波数に基づいて音波が伝搬する媒質の物性等を計測す
る構成とする。さらに、前記受信素子の受信信号を前記
混合回路に出力するに先立ち二値化する二値化回路を具
備せしめる。
は、送信信号生成回路が、所定周期で信号レベルが掃引
する信号を変調信号として周波数変調して送信信号を生
成し送信素子に出力するとともに、送信素子からの音波
を受信素子が受信する受信信号と、送信素子に出力され
る送信信号とを混合回路で混合し、混合される2信号の
位相差により発生するうなりの周波数を計測し、うなり
周波数に基づいて音波が伝搬する媒質の物性等を計測す
る構成とする。さらに、前記受信素子の受信信号を前記
混合回路に出力するに先立ち二値化する二値化回路を具
備せしめる。
【0008】二値化による波形整形で振幅が揃えられる
とともにノイズの影響を除去することができるから、混
合回路出力のうなり周波数が安定し、うなり周波数から
知られる音波の伝搬距離が正確に得られる。
とともにノイズの影響を除去することができるから、混
合回路出力のうなり周波数が安定し、うなり周波数から
知られる音波の伝搬距離が正確に得られる。
【0009】前記二値化回路は、請求項2記載の発明の
ように、前記受信素子が受信した信号と基準電圧の基準
信号とが入力するコンパレータで構成する。
ように、前記受信素子が受信した信号と基準電圧の基準
信号とが入力するコンパレータで構成する。
【0010】
【発明の実施の形態】(第1実施形態)図1(A)、図
1(B)に本発明の音波計測装置を適用したガス濃度計
測装置を示す。本実施形態は水素の濃度および流量の測
定用で、燃料電池システムに付設されたものとして説明
する。全体構成を示す図1において、本ガス濃度計測装
置11は、燃料電池システムの改質器で生成された被測
定ガスである改質ガス中の水素の濃度を測定するもの
で、水素を多量に含む改質ガスを改質器から燃料電池本
体に供給するための配管12に、1対の超音波素子2
a,2bが配管12壁を貫通して設けられている。
1(B)に本発明の音波計測装置を適用したガス濃度計
測装置を示す。本実施形態は水素の濃度および流量の測
定用で、燃料電池システムに付設されたものとして説明
する。全体構成を示す図1において、本ガス濃度計測装
置11は、燃料電池システムの改質器で生成された被測
定ガスである改質ガス中の水素の濃度を測定するもの
で、水素を多量に含む改質ガスを改質器から燃料電池本
体に供給するための配管12に、1対の超音波素子2
a,2bが配管12壁を貫通して設けられている。
【0011】超音波素子2a,2bは機械振動と電気振
動との間で相互に変換可能な素子であり、例えば一般的
な圧電スピーカが用いられ得る。両超音波素子2a,2
bはその音波受信面であり音波送信面である前面を配管
12の内側に向けた状態で、配管12内を流通する改質
ガスを挟んで対向位置に配置され、一方が超音波を送信
する送信素子2aとなり、他方が送信素子2aからの超
音波を受ける受信素子2bとなる。
動との間で相互に変換可能な素子であり、例えば一般的
な圧電スピーカが用いられ得る。両超音波素子2a,2
bはその音波受信面であり音波送信面である前面を配管
12の内側に向けた状態で、配管12内を流通する改質
ガスを挟んで対向位置に配置され、一方が超音波を送信
する送信素子2aとなり、他方が送信素子2aからの超
音波を受ける受信素子2bとなる。
【0012】送信素子2aに出力する送信信号を発生す
る送信信号生成回路3は、鋸波発生器31、基準電圧発
生器32、加算器33、V−F変換器34、駆動回路3
5で構成される。鋸波発生器31は、図2に示すよう
に、クロックをバイナリカウンタ311の出力にラダー
状に接続されたネットワーク抵抗312を接続してカウ
ント値に応じてネットワーク抵抗312の両端間電圧が
出力される構成を用いることができる。カウンタをカウ
ントアップせしめるとともに所定の間隔でリセットする
ことで、図3に示すように、カウント値を周期的に直線
的に掃引し、両端間電圧Vb が鋸波として出力される。
リセット信号は図例では後述する測定周期設定回路53
から周期的に出力される。
る送信信号生成回路3は、鋸波発生器31、基準電圧発
生器32、加算器33、V−F変換器34、駆動回路3
5で構成される。鋸波発生器31は、図2に示すよう
に、クロックをバイナリカウンタ311の出力にラダー
状に接続されたネットワーク抵抗312を接続してカウ
ント値に応じてネットワーク抵抗312の両端間電圧が
出力される構成を用いることができる。カウンタをカウ
ントアップせしめるとともに所定の間隔でリセットする
ことで、図3に示すように、カウント値を周期的に直線
的に掃引し、両端間電圧Vb が鋸波として出力される。
リセット信号は図例では後述する測定周期設定回路53
から周期的に出力される。
【0013】この鋸波発生器31からの鋸波Vb と基準
電圧発生回路32からの基準電圧Vref とが加算器33
に入力して、図4に示すように、(Vb +Vref )に比
例した加算出力Vi が得られる。加算出力Vi はV/F
変換器34にて加算出力Viに比例した周波数の交流信
号Fout に変換される。ここで、V/F変換器34から
出力された交流信号Fout の周波数は加算出力Vi に比
例しているから、この交流信号Fout は、実質的に基準
電圧Vref をV/F変換した周波数をキャリア周波数と
するキャリア信号に対し、鋸波Vb を変調信号として周
波数変調した信号となり、鋸波Vb の掃引周期と同じ周
期で周波数が掃引される。例えば図例のように周波数が
190kHz〜210kHzの20kHzの掃引幅で変
化する。この交流信号Fout は送信信号として駆動回路
35で電力増幅され送信素子2aに出力される。
電圧発生回路32からの基準電圧Vref とが加算器33
に入力して、図4に示すように、(Vb +Vref )に比
例した加算出力Vi が得られる。加算出力Vi はV/F
変換器34にて加算出力Viに比例した周波数の交流信
号Fout に変換される。ここで、V/F変換器34から
出力された交流信号Fout の周波数は加算出力Vi に比
例しているから、この交流信号Fout は、実質的に基準
電圧Vref をV/F変換した周波数をキャリア周波数と
するキャリア信号に対し、鋸波Vb を変調信号として周
波数変調した信号となり、鋸波Vb の掃引周期と同じ周
期で周波数が掃引される。例えば図例のように周波数が
190kHz〜210kHzの20kHzの掃引幅で変
化する。この交流信号Fout は送信信号として駆動回路
35で電力増幅され送信素子2aに出力される。
【0014】送信素子2aから送信された超音波は、送
信素子2aと受信素子2b間の距離に応じた伝搬時間の
後、受信素子2bで受信される。
信素子2aと受信素子2b間の距離に応じた伝搬時間の
後、受信素子2bで受信される。
【0015】受信素子2bから出力された受信信号と前
記V−F変換器34の出力信号とを入力としてうなり信
号処理回路4が設けてあり、前記伝搬時間に応じた信号
出力を得る。図1(B)はうなり信号処理回路4の構成
を示し、図5はうなり信号処理回路4の各部における信
号のタイミングを示している。
記V−F変換器34の出力信号とを入力としてうなり信
号処理回路4が設けてあり、前記伝搬時間に応じた信号
出力を得る。図1(B)はうなり信号処理回路4の構成
を示し、図5はうなり信号処理回路4の各部における信
号のタイミングを示している。
【0016】受信素子2bから出力された受信信号はア
ンプ41で増幅され(a点)、二値化回路であるコンパ
レータ42に入力する。コンパレータ42には受信信号
ともに0Vの基準電圧が入力しており、コンパレータ4
2は、正負に交番する受信信号をハイレベルとロウレベ
ルとが交互に繰り返すパルス信号に変換する。
ンプ41で増幅され(a点)、二値化回路であるコンパ
レータ42に入力する。コンパレータ42には受信信号
ともに0Vの基準電圧が入力しており、コンパレータ4
2は、正負に交番する受信信号をハイレベルとロウレベ
ルとが交互に繰り返すパルス信号に変換する。
【0017】コンパレータ42で二値化した受信信号
と、前記V−F変換器34から出力される送信信号と
は、そのハイレベルが一般的な論理ICの電源電圧であ
る5Vの信号として得ることができ、それぞれレベル変
調器43、44を介して混合回路である加算器45に出
力される。
と、前記V−F変換器34から出力される送信信号と
は、そのハイレベルが一般的な論理ICの電源電圧であ
る5Vの信号として得ることができ、それぞれレベル変
調器43、44を介して混合回路である加算器45に出
力される。
【0018】レベル変調器43、44はコンパレータで
構成され、それぞれ一方の入力に、前記受信信号、送信
信号のハイレベル値の1/2である2.5Vが入力して
おり、受信信号、送信信号を2.5Vオフセットして±
2.5Vで交番する信号に変調する(b点、c点)。
構成され、それぞれ一方の入力に、前記受信信号、送信
信号のハイレベル値の1/2である2.5Vが入力して
おり、受信信号、送信信号を2.5Vオフセットして±
2.5Vで交番する信号に変調する(b点、c点)。
【0019】加算器45はオペアンプで構成され、受信
信号と送信信号の混合がなされる(d点)。なお受信信
号と送信信号は加算器45に逆相で入力することになる
が同相で入力する構成でもよい。
信号と送信信号の混合がなされる(d点)。なお受信信
号と送信信号は加算器45に逆相で入力することになる
が同相で入力する構成でもよい。
【0020】加算器45からの混合出力はローパスフィ
ルタ(LPF)46で連続波形に整形される(e点)。
図7に示すように、受信信号と送信信号は、その位相差
に応じて受信信号周波数f1 と送信信号周波数f0 の周
波数差が生じ、LPF46の出力は、周波数(f1 +f
0 )/2で振動するとともに、その振幅がうなり周波数
|f1 −f0 |で振動するうなり信号となる。
ルタ(LPF)46で連続波形に整形される(e点)。
図7に示すように、受信信号と送信信号は、その位相差
に応じて受信信号周波数f1 と送信信号周波数f0 の周
波数差が生じ、LPF46の出力は、周波数(f1 +f
0 )/2で振動するとともに、その振幅がうなり周波数
|f1 −f0 |で振動するうなり信号となる。
【0021】このLPF46から出力されるうなり信号
を包絡線検波器47で検波することにより、周波数|f
1 −f0 |のうなり振動成分信号が得られる(f点)。
を包絡線検波器47で検波することにより、周波数|f
1 −f0 |のうなり振動成分信号が得られる(f点)。
【0022】このうなり振動成分信号はコンパレータ4
8に入力する。コンパレータ48には、うなり振動成分
信号とともに、うなり振動成分信号の半値(図例では5
V)に設定した基準電圧が入力しており、コンパレータ
48にて二値化される。この二値化信号のパルス長は前
記うなり振動成分信号の半周期すなわちうなりの半周期
に相当し、これを計測することで周波数|f1 −f0 |
が得られることになる(以下、二値化信号をうなり周期
信号Sout という)。
8に入力する。コンパレータ48には、うなり振動成分
信号とともに、うなり振動成分信号の半値(図例では5
V)に設定した基準電圧が入力しており、コンパレータ
48にて二値化される。この二値化信号のパルス長は前
記うなり振動成分信号の半周期すなわちうなりの半周期
に相当し、これを計測することで周波数|f1 −f0 |
が得られることになる(以下、二値化信号をうなり周期
信号Sout という)。
【0023】うなり周期信号Sout のパルス長の計測は
演算回路5によりなされ、演算回路5は、CPU51、
カウンタ52、測定周期設定用カウンタ53、マスク時
間設定用カウンタ54を備えている。図7はこれらカウ
ンタ52等の入出力信号のタイミングを示している。カ
ウンタ52にはうなり周期信号Sout が入力しており、
カウンタ52は、うなり周期信号Sout がハイレベルの
間、CPU51から供給されるクロックをカウントし、
カウント値をCPU51に出力する。
演算回路5によりなされ、演算回路5は、CPU51、
カウンタ52、測定周期設定用カウンタ53、マスク時
間設定用カウンタ54を備えている。図7はこれらカウ
ンタ52等の入出力信号のタイミングを示している。カ
ウンタ52にはうなり周期信号Sout が入力しており、
カウンタ52は、うなり周期信号Sout がハイレベルの
間、CPU51から供給されるクロックをカウントし、
カウント値をCPU51に出力する。
【0024】すなわち、カウンタ52、マスク時間設定
用カウンタ54には、測定周期設定用カウンタ53から
1msごとにリセット信号が入力して測定周期が与えら
れる。また、マスク時間設定用カウンタ54からは前記
リセット信号後の所定時間、マスク信号が入力してカウ
ンタ52におけるカウントスタートを禁止するマスク時
間が設定されており、受信信号が安定しない音波の到着
直後に測定がなされないようにしている。そして、カウ
ンタ52においてスタートしたカウントは、前記うなり
周期信号Sout がロウレベルになると終了する。これに
よりうなり周期信号Sout のパルス長が計測できる。
用カウンタ54には、測定周期設定用カウンタ53から
1msごとにリセット信号が入力して測定周期が与えら
れる。また、マスク時間設定用カウンタ54からは前記
リセット信号後の所定時間、マスク信号が入力してカウ
ンタ52におけるカウントスタートを禁止するマスク時
間が設定されており、受信信号が安定しない音波の到着
直後に測定がなされないようにしている。そして、カウ
ンタ52においてスタートしたカウントは、前記うなり
周期信号Sout がロウレベルになると終了する。これに
よりうなり周期信号Sout のパルス長が計測できる。
【0025】CPU51ではこの測定周期ごとに入力す
るカウント値から改質ガス中の水素濃度を計測する。ま
た、配管12には温度センサ6が設けてあり、配管12
内を流通する改質ガスの温度検出信号がCPU51に入
力している。
るカウント値から改質ガス中の水素濃度を計測する。ま
た、配管12には温度センサ6が設けてあり、配管12
内を流通する改質ガスの温度検出信号がCPU51に入
力している。
【0026】図8にCPU51における水素濃度算出フ
ローを示す。ステップS101では初期設定がなされ、
ステップS102で配管12中の改質ガスの検出温度を
取り込む。
ローを示す。ステップS101では初期設定がなされ、
ステップS102で配管12中の改質ガスの検出温度を
取り込む。
【0027】ステップS103ではカウンタ52からの
カウント値から知られるうなり周期の逆数からうなり周
波数fを演算する。
カウント値から知られるうなり周期の逆数からうなり周
波数fを演算する。
【0028】ステップS104,S105ではうなり周
波数fに基づいて改質ガス中の音速vを求める。前記の
ごとく送信周波数が一定の周期で直線的に変化すること
から、受信信号周波数f1 と送信信号周波数f0 の周波
数差|f1−f0|は受信信号と送信信号の位相差に比
例して与えられる。そして、位相差は伝搬時間に比例し
て変化し、送信素子2aと受信素子2bの間隔や改質ガ
ス中の音速等に依存するから、周波数差|f1−f0|
より改質ガス中の音速が知られる。
波数fに基づいて改質ガス中の音速vを求める。前記の
ごとく送信周波数が一定の周期で直線的に変化すること
から、受信信号周波数f1 と送信信号周波数f0 の周波
数差|f1−f0|は受信信号と送信信号の位相差に比
例して与えられる。そして、位相差は伝搬時間に比例し
て変化し、送信素子2aと受信素子2bの間隔や改質ガ
ス中の音速等に依存するから、周波数差|f1−f0|
より改質ガス中の音速が知られる。
【0029】先ず、ステップS104では、伝搬時間τ
を次のように演算する。うなり周波数fは前記のごとく
送信信号と受信信号の位相差に比例して変化するから、
送信周波数の周波数掃引周波数をFs 、周波数変調幅を
ΔFとして、f=|f1 −f0 |=ΔF×(1/Fs )
-1×τ・・・(1)となり、式(1)にしたがって前記
うなり周波数fから伝搬時間τを算出することができ
る。
を次のように演算する。うなり周波数fは前記のごとく
送信信号と受信信号の位相差に比例して変化するから、
送信周波数の周波数掃引周波数をFs 、周波数変調幅を
ΔFとして、f=|f1 −f0 |=ΔF×(1/Fs )
-1×τ・・・(1)となり、式(1)にしたがって前記
うなり周波数fから伝搬時間τを算出することができ
る。
【0030】ステップS105では伝搬時間τより音速
vを演算する。音速vは素子間距離を伝搬時間τで除し
て得る。
vを演算する。音速vは素子間距離を伝搬時間τで除し
て得る。
【0031】ステップS106では、式(2)により音
速vと計測温度Tから水素濃度DH2を演算する。式中、
Rは気体定数(8.3145J/molK)である。ま
た、Mは分子量、Cp は定圧モル比熱、Cv は定容モル
比熱であり、それぞれの添え字により窒素(N2 )、二
酸化炭素(CO2 )、水素(H2 )のものであることを
示している。また、a,bは二酸化炭素と窒素のモル濃
度比を表し、a:b=二酸化炭素:窒素である。なお、
計測温度Tは絶対温度である。なお、式(2)は複数の
成分ガスについての音速の理論式(2’)から求められ
る。
速vと計測温度Tから水素濃度DH2を演算する。式中、
Rは気体定数(8.3145J/molK)である。ま
た、Mは分子量、Cp は定圧モル比熱、Cv は定容モル
比熱であり、それぞれの添え字により窒素(N2 )、二
酸化炭素(CO2 )、水素(H2 )のものであることを
示している。また、a,bは二酸化炭素と窒素のモル濃
度比を表し、a:b=二酸化炭素:窒素である。なお、
計測温度Tは絶対温度である。なお、式(2)は複数の
成分ガスについての音速の理論式(2’)から求められ
る。
【0032】
【数1】
【0033】ステップS107では計測終了か否かを判
断する。この判断は計測者からCPU51に計測終了指
令が発せられているか否かで判断し、計測終了指令がな
ければステップS102に戻って計測を継続し、計測終
了指令があれば本ルーチンを終了する。
断する。この判断は計測者からCPU51に計測終了指
令が発せられているか否かで判断し、計測終了指令がな
ければステップS102に戻って計測を継続し、計測終
了指令があれば本ルーチンを終了する。
【0034】(第2実施形態)本発明はガス濃度計測だ
けではなく、測定面との距離測定に適用することができ
る。なお、装置各部には説明の便宜のため第1実施形態
と同じ番号を付して説明するものとする。第1実施形態
の構成において、図9に示すように、超音波素子2a,
2bを略同方向に向けて互いに近接する位置に配置し、
送信面、受信面を測定面13に向ける。また、温度セン
サ6は、計測環境すなち超音波素子2a,2bと測定面
13とが設けられる雰囲気中の温度を計測し得るよう
に、例えば超音波素子2a,2bの近傍に設置する。そ
して、図略のCPU51は伝搬時間τに基づいて測定面
との距離Lを演算する。
けではなく、測定面との距離測定に適用することができ
る。なお、装置各部には説明の便宜のため第1実施形態
と同じ番号を付して説明するものとする。第1実施形態
の構成において、図9に示すように、超音波素子2a,
2bを略同方向に向けて互いに近接する位置に配置し、
送信面、受信面を測定面13に向ける。また、温度セン
サ6は、計測環境すなち超音波素子2a,2bと測定面
13とが設けられる雰囲気中の温度を計測し得るよう
に、例えば超音波素子2a,2bの近傍に設置する。そ
して、図略のCPU51は伝搬時間τに基づいて測定面
との距離Lを演算する。
【0035】図10にCPU51における距離測定の計
測フローを示す。初期設定(ステップS201)の後、
ステップS202で計測温度tを取り込む。
測フローを示す。初期設定(ステップS201)の後、
ステップS202で計測温度tを取り込む。
【0036】ステップS203では計測温度tに基づい
て音速Cを式(3)にしたがって算出する。なお、計測
温度tは摂氏温度である。 C=331.45+0.607×t(m/s)・・・(3)
て音速Cを式(3)にしたがって算出する。なお、計測
温度tは摂氏温度である。 C=331.45+0.607×t(m/s)・・・(3)
【0037】ステップS204ではカウント値から知ら
れるうなり周期の逆数からうなり周波数fを演算する。
れるうなり周期の逆数からうなり周波数fを演算する。
【0038】ステップS205では、伝搬時間τを上記
式(1)にしたがって演算する。
式(1)にしたがって演算する。
【0039】ステップS206では前記音速C、伝搬時
間τより式(4−1)(4−2)(4−3)により距離
Lを演算する。式中、L’は図中、V字状に進行する音
波の伝搬経路の1/2の距離であり、θは、測定面13
に対する法線方向と音波の伝搬経路とのなす角度であ
る。計測レンジによってはθは一定値とすることもでき
る。また、wは超音波素子2a,2bの送受信面におけ
る間隔である。 L’=C×τ/2・・・(4−1) L = L’cosθ・・・(4−2) θ=sin-1(w/L’)・・・(4−3)
間τより式(4−1)(4−2)(4−3)により距離
Lを演算する。式中、L’は図中、V字状に進行する音
波の伝搬経路の1/2の距離であり、θは、測定面13
に対する法線方向と音波の伝搬経路とのなす角度であ
る。計測レンジによってはθは一定値とすることもでき
る。また、wは超音波素子2a,2bの送受信面におけ
る間隔である。 L’=C×τ/2・・・(4−1) L = L’cosθ・・・(4−2) θ=sin-1(w/L’)・・・(4−3)
【0040】ステップS207では計測終了指令の有無
で計測終了か否かを判断し、計測終了指令がなければス
テップS202に戻って計測を継続し、計測終了指令が
あれば本ルーチンを終了する。
で計測終了か否かを判断し、計測終了指令がなければス
テップS202に戻って計測を継続し、計測終了指令が
あれば本ルーチンを終了する。
【0041】(第3実施形態)第2実施形態で説明した
測定面との距離測定を、対象物の変位計測に用いること
ができる。なお、装置各部には説明の便宜のため第1実
施形態と同じ番号を付して説明するものとする。図11
に示すように、第2実施形態と同様に、超音波素子2
a,2bを略同方向に向けて互いに近接する位置に配置
し、測定面14に向ける。そして、図略のCPU51
は、測定面14が基準の位置(図中A)から位置Bに変
化したときの測定面14との距離の変化すなわち対象物
の変位を伝搬時間に基づいて演算する。
測定面との距離測定を、対象物の変位計測に用いること
ができる。なお、装置各部には説明の便宜のため第1実
施形態と同じ番号を付して説明するものとする。図11
に示すように、第2実施形態と同様に、超音波素子2
a,2bを略同方向に向けて互いに近接する位置に配置
し、測定面14に向ける。そして、図略のCPU51
は、測定面14が基準の位置(図中A)から位置Bに変
化したときの測定面14との距離の変化すなわち対象物
の変位を伝搬時間に基づいて演算する。
【0042】図12にCPU51における距離測定の計
測フローを示す。初期設定(ステップS301)の後、
ステップS302で検出温度tを取り込む。
測フローを示す。初期設定(ステップS301)の後、
ステップS302で検出温度tを取り込む。
【0043】ステップS303では検出温度tに基づい
て音速Cを前記式(3)にしたがって算出する。
て音速Cを前記式(3)にしたがって算出する。
【0044】ステップS304ではカウント値から知ら
れるうなり周期の逆数からうなり周波数fを演算し、う
なり周波数fから前記式(1)にしたがって伝搬時間τ
を演算する。次いで、測定面14が基準位置にあるとき
の伝搬時間τ0 と、変位後の伝搬時間τ1 の差Δτを演
算する。ここで、伝搬時間τ0 は、用途によって固定で
もよいし、ある時間における伝搬時間をプリセットして
おくのでもよい。
れるうなり周期の逆数からうなり周波数fを演算し、う
なり周波数fから前記式(1)にしたがって伝搬時間τ
を演算する。次いで、測定面14が基準位置にあるとき
の伝搬時間τ0 と、変位後の伝搬時間τ1 の差Δτを演
算する。ここで、伝搬時間τ0 は、用途によって固定で
もよいし、ある時間における伝搬時間をプリセットして
おくのでもよい。
【0045】ステップS305では、前記音速C、伝搬
時間差Δτより式(5−1)(5−2)にしたがって変
位ΔLを演算する。式中、ΔL’は変位前後の音波の伝
搬経路の差の1/2であり、θは、測定面に対する法線
方向と音波の伝搬経路とのなす角度である。θは変位前
後で変化するが、変位ΔLが変位前の基準の距離Lに比
して十分小さいとしてθはこの式のように初期位置にお
ける値で代表できる。 ΔL’=C×Δτ/2・・・(5−1) ΔL =ΔL’cosθ・・・(5−2)
時間差Δτより式(5−1)(5−2)にしたがって変
位ΔLを演算する。式中、ΔL’は変位前後の音波の伝
搬経路の差の1/2であり、θは、測定面に対する法線
方向と音波の伝搬経路とのなす角度である。θは変位前
後で変化するが、変位ΔLが変位前の基準の距離Lに比
して十分小さいとしてθはこの式のように初期位置にお
ける値で代表できる。 ΔL’=C×Δτ/2・・・(5−1) ΔL =ΔL’cosθ・・・(5−2)
【0046】ステップS306では計測終了指令の有無
で計測終了か否かを判断し、計測終了指令がなければス
テップS302に戻って計測を継続し、計測終了指令が
あれば本ルーチンを終了する。
で計測終了か否かを判断し、計測終了指令がなければス
テップS302に戻って計測を継続し、計測終了指令が
あれば本ルーチンを終了する。
【0047】なお、本発明の特徴部分は図14のFM−
CWレーザ装置にも適用することができ、受信アンテナ
の出力信号をミクサに入力するに先立ちコンパレータ等
で二値化することにより、計測精度を向上することがで
きる。
CWレーザ装置にも適用することができ、受信アンテナ
の出力信号をミクサに入力するに先立ちコンパレータ等
で二値化することにより、計測精度を向上することがで
きる。
【図1】(A)は本発明の音波計測装置の全体構成図で
あり、(B)は前記音波計測装置のうなり信号処理回路
の構成図である。
あり、(B)は前記音波計測装置のうなり信号処理回路
の構成図である。
【図2】前記音波計測装置の送信信号生成用の鋸波発生
器の構成図である。
器の構成図である。
【図3】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第1
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図4】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第2
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図5】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第3
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図6】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第4
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図7】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第5
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図8】前記音波計測装置のCPUにおける演算処理を
示すフローチャートである。
示すフローチャートである。
【図9】本発明の別の音波計測装置の超音波素子の配置
を示す図である。
を示す図である。
【図10】前記音波計測装置のCPUにおける演算処理
を示すフローチャートである。
を示すフローチャートである。
【図11】本発明のさらに別の音波計測装置の超音波素
子の配置を示す図である。
子の配置を示す図である。
【図12】前記音波計測装置のCPUにおける演算処理
を示すフローチャートである。
を示すフローチャートである。
【図13】従来の音波計測装置の一例を示す構成図であ
る。
る。
11 音波計測装置 2a 送信素子 2b 受信素子 3 送信信号生成回路 4 うなり信号処理回路 42 コンパレータ(二値化回路) 45 加算器(混合回路) 5 演算回路 6 温度センサ 12 配管 13,14 測定面
フロントページの続き (72)発明者 杉野 正芳 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 渡辺 修夫 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 2G047 AA01 BC02 BC04 BC15 EA10 GG29 5J083 AA02 AB01 AB20 AC18 AC28 AD04 BA12 BE04 BE18 BE38 BE53
Claims (2)
- 【請求項1】 音波を送信する送信素子と、該送信素子
からの音波を受信する受信素子と、所定周期で信号レベ
ルが掃引する信号を変調信号として周波数変調された送
信信号を生成し前記送信素子に出力する送信信号生成回
路と、受信素子が受信した受信信号と前記送信信号生成
回路から出力された前記送信信号とを混合してうなり信
号を発生せしめる混合回路とを有し、前記送信信号と前
記受信信号の位相差に応じて変化する前記うなり信号の
うなり周波数に基づいて音波の伝搬時間を計測する音波
計測装置において、 前記受信素子の受信信号を前記混合回路に出力するに先
立ち二値化する二値化回路を具備することを特徴とする
音波計測装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の音波計測装置において、
前記二値化回路を、前記受信素子が受信した信号と基準
電圧の基準信号とが入力するコンパレータで構成した音
波計測装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000197741A JP2002014166A (ja) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | 音波計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000197741A JP2002014166A (ja) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | 音波計測装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002014166A true JP2002014166A (ja) | 2002-01-18 |
Family
ID=18696025
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000197741A Pending JP2002014166A (ja) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | 音波計測装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2002014166A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006300742A (ja) * | 2005-04-21 | 2006-11-02 | Shizuoka Prefecture | 発振周波数調整方式を利用した化学物質検出装置 |
CN109187738A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-01-11 | 江苏久创电气科技有限公司 | 一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置 |
JP2019020250A (ja) * | 2017-07-18 | 2019-02-07 | 株式会社東京精密 | 非破壊検査装置及びその方法 |
JP2019196942A (ja) * | 2018-05-08 | 2019-11-14 | 株式会社Soken | 物体検知装置 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62284282A (ja) * | 1986-05-31 | 1987-12-10 | Tokyo Keiki Co Ltd | 超音波距離測定装置 |
JPH07218629A (ja) * | 1994-01-31 | 1995-08-18 | Toshiba Corp | 超音波速度検出装置 |
JPH0915332A (ja) * | 1995-06-30 | 1997-01-17 | Toyota Motor Corp | 対地車速検出装置 |
JP2000304858A (ja) * | 1999-04-16 | 2000-11-02 | Nippon Soken Inc | 波動の伝搬時間の測定装置及び測定方法 |
-
2000
- 2000-06-30 JP JP2000197741A patent/JP2002014166A/ja active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019020250A (ja) * | 2017-07-18 | 2019-02-07 | 株式会社東京精密 | 非破壊検査装置及びその方法 |
JP2019196942A (ja) * | 2018-05-08 | 2019-11-14 | 株式会社Soken | 物体検知装置 |
JP7000981B2 (ja) | 2018-05-08 | 2022-01-19 | 株式会社Soken | 物体検知装置 |
CN109187738A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-01-11 | 江苏久创电气科技有限公司 | 一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置 |
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