NL9200388A - Apparatus and method for accurate ultrasonic distance measurements - Google Patents
Apparatus and method for accurate ultrasonic distance measurements Download PDFInfo
- Publication number
- NL9200388A NL9200388A NL9200388A NL9200388A NL9200388A NL 9200388 A NL9200388 A NL 9200388A NL 9200388 A NL9200388 A NL 9200388A NL 9200388 A NL9200388 A NL 9200388A NL 9200388 A NL9200388 A NL 9200388A
- Authority
- NL
- Netherlands
- Prior art keywords
- reflector
- time
- signal
- converter
- transducer
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
- G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Korte aanduiding: inrichting en werkwijze voor nauwkeurige ultrasone afstandsmeting.Short designation: device and method for accurate ultrasonic distance measurement.
De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor ultrasone afstandsmeting met ten minste één omzetter voor het omzetten van een elektrisch signaal in een akoustisch signaal; een ten opzichte van de omzetter binnen een bepaald werkgebied verplaatsbare meetreflektor voor het reflecteren van het door de omzetter uitgezonden akoustische signaal; en een referen-tiereflector voor het reflekteren van het door de omzetter uitgezonden akoustische signaal, welke referentiereflektor op een afstand van de omzetter is opgesteld, waarbij zich in het gebied omvattende de omzetter en de reflectoren een isotroop fluïdum bevindt. Voorts heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het meten van een afstand, waarbij een zendom-zetter voor het omzetten van een elektrisch zendimpulssignaal in een akoustisch signaal samenwerkt met een ontvangstomzetter voor het omzetten van een via een of meer reflektoren van de zendomzetter ontvangen akoustisch signaal in een elektrisch ontvangstsignaal.The invention relates to an ultrasonic distance measuring device with at least one converter for converting an electrical signal into an acoustic signal; a measuring reflector displaceable relative to the transducer within a certain working area for reflecting the acoustic signal emitted by the transducer; and a reference reflector for reflecting the acoustic signal emitted by the transducer, said reference reflector disposed at a distance from the transducer, an isotropic fluid being located in the region comprising the transducer and the reflectors. The invention further relates to a method for measuring a distance, wherein a transducer for converting an electrical transmit pulse signal into an acoustic signal cooperates with a transducer for converting an acoustic received via one or more reflectors of the transducer signal in an electrical receive signal.
Een inrichting als voornoemd is bijvoorbeeld beschreven in WO - A - 85/01800. Hierin is een ultrasone omzetter aangebracht aan een uiteinde van een cylinder, welke omzetter geluidsgolven kan uitzenden in de inwendige ruimte van de cylinder in de lengterichting daarvan. Een in de cylinder beweegbare zuiger omvat aan één zijde een reflecterend oppervlak dat fungeert als meetreflector voor het reflecteren van de door de omzetter uitgezonden geluidsgolven terug naar de omzetter. Vervolgens kan de afstand tussen de omzetter en de meetreflector bepaald worden door de looptijd van de geluidsgolf vanaf het tijdstip van uitzenden daarvan tot aan het tijdstip van ontvangst van de gereflecteerde geluidsgolf te meten en te halveren. Bij een bekend veronderstelde geluidssnelheid kan dan de gemeten halve looptijd eenvoudig omgerekend worden in de gezochte afstand.An apparatus as aforementioned is described, for example, in WO-A-85/01800. Herein, an ultrasonic transducer is mounted on one end of a cylinder, which transducer can emit sound waves in the interior space of the cylinder in the longitudinal direction thereof. A piston movable in the cylinder comprises on one side a reflecting surface which functions as a measuring reflector for reflecting the sound waves emitted by the transducer back to the transducer. The distance between the converter and the measuring reflector can then be determined by measuring and halving the travel time of the sound wave from the time of its transmission until the time of receipt of the reflected sound wave. At a known assumed speed of sound, the measured half-transit time can then simply be converted into the distance sought.
De geluidssnelheid is echter in veel gevallen niet bekend of niet meetbaar. De oorzaak hiervan is dat de geluidssnelheid varieert met het soort medium dat zich tussen de omzetter en de meetreflector bevindt, en bovendien bij een bepaald medium als gevolg van temperatuurvariaties, drukvariaties en variaties van de vochtigheid of dergelijke niet konstant is. De invloed van deze variaties op het meetresultaat heeft men in de bekende inrichting geëlimineerd door in hoofdzaak gelijktijdig met de eerder beschreven meting van de looptijd van een geluidsgolf tussen de omzetter en de meetreflector de looptijd van een geluidsgolf, tussen de omzetter en de referentiere-flector te meten, welke laatstgenoemde reflector op een vooraf bepaalde afstand van de omzetter in dezelfde ruimte is opgesteld. Aangezien het medium voor beide metingen gelijke 'eigenschappen heeft, kan ongeacht de actueel optredende geluidssnelheid de afstand tussen de omzetter en de meetreflector bepaald worden door de looptijd van een geluidsgolf tussen de omzetter en de meetreflector enerzijds te delen door de looptijd van een geluidsgolf tussen de omzetter en de referentie-reflector anderzijds, en de uitkomst van deze deling te vermenigvuldigen met de bekende efstand tussen de omzetter en de referentiereflector.However, the speed of sound is in many cases unknown or not measurable. The reason for this is that the speed of sound varies with the type of medium that is located between the converter and the measuring reflector, and moreover is not constant with a certain medium due to temperature variations, pressure variations and variations in humidity or the like. The influence of these variations on the measurement result has been eliminated in the known device by substantially simultaneously with the previously described measurement of the transit time of a sound wave between the converter and the measuring reflector, the transit time of a sound wave, between the converter and the reference reflector. measuring which latter reflector is arranged at a predetermined distance from the transducer in the same space. Since the medium has the same properties for both measurements, regardless of the currently occurring sound speed, the distance between the converter and the measuring reflector can be determined by dividing the travel time of a sound wave between the converter and the measuring reflector on the one hand by the travel time of a sound wave between the converter and the reference reflector on the other hand, and multiply the result of this division by the known distance between the converter and the reference reflector.
Het is uiteraard ook mogelijk, de referentiereflector op een vooraf bepaalde afstand van de meetreflector aan te brengen, waarbij de referentiereflector meebewogen kan worden met de meetreflector door een starre koppeling tussen beide reflectoren. In dit laatste geval kan ongeacht de actueel optredende geluidssnelheid in het medium tussen de omzetter en de reflectoren de afstand tussen de omzetter en de meetreflector bepaald worden door de looptijd van een geluidsgolf tussen de omzetter en de meetreflector enerzijds te delen door de looptijd van een geluidsgolf tussen de referentiereflector en de meetreflector anderzijds (i.e. de absolute waarde van het verschil tussen de looptijd van een geluidsgolf tussen de omzetter en de meetreflector en de looptijd van een geluidsgolf tussen de omzetter en de referentiereflektor), en de uitkomst van deze deling te vermenigvuldigen met de bekende afstand tussen de referentiereflector en de meetreflector.It is of course also possible to arrange the reference reflector at a predetermined distance from the measuring reflector, wherein the reference reflector can be moved along with the measuring reflector by a rigid coupling between the two reflectors. In the latter case, regardless of the currently occurring sound velocity in the medium between the converter and the reflectors, the distance between the converter and the measuring reflector can be determined by dividing the transit time of a sound wave between the converter and the measuring reflector on the one hand by the travel time of a sound wave between the reference reflector and the measurement reflector (ie the absolute value of the difference between the travel time of a sound wave between the converter and the measurement reflector and the travel time of a sound wave between the converter and the reference reflector), and multiply the result of this division by the known distance between the reference reflector and the measuring reflector.
Hoewel het in de hiervoor besproken gevallen niet van belang is welke geluidsvoortplantingseigenschappen het ge- luidsvoortplantende medium precies heeft, is het wel van belang dat dit medium isotroop is, d.w.z. in elk punt van de baan en in elke richting waarin de geluidsgolven zich in de meetinrichting voortplanten, dezelfde eigenschappen heeft. De vereiste isotropie kan bijvoorbeeld bereikt worden door de meetinrichting in een isolerende omhulling onder te brengen en stroming van het medium tussen de omzetter en de respectieve reflectoren te voorkomen.Although in the cases discussed above it is not important which sound propagation properties the sound propagating medium has exactly, it is important that this medium is isotropic, ie in every point of the track and in every direction in which the sound waves travel in the measuring device. propagate, has the same properties. The required isotropy can be achieved, for example, by placing the measuring device in an insulating envelope and preventing flow of the medium between the converter and the respective reflectors.
Hoewel door de toepassing van een referentiereflector de nauwkeurigheid van de meting onder wisselende omstandigheden sterk kan worden verbeterd, blijven voor een ultrasone af-standsmeting waarbij een zeer hoge nauwkeurigheid - in de orde van grootte van tientallen micrometer of minder - gewenst is, nog een aantal problemen onopgelost.Although the use of a reference reflector can greatly improve the accuracy of the measurement under varying conditions, for an ultrasonic distance measurement where a very high accuracy - on the order of tens of micrometers or less - is desired, still a number of problems unresolved.
Een eerste probleem is het gevolg van het gebruik van de afstand tussen, of de looptijd van een geluidsgolf tussen de omzetter en de referentie- respectievelijk de meetreflector in de berekening van de afstand tussen de omzetter en de meetre-flector. Deze afstand of de meting daarvan in termen van looptijd kan echter in het algemeen niet als vaststaand gegeven worden beschouwd als gevolg van een verschillende plaats van het geluidsgolfopwekkende membraan in de omzetter bij verschillende temperaturen, en een veranderende resonantiefre-quentie van de omzetter bij variërende temperaturen.A first problem arises from the use of the distance between, or the travel time of, a sound wave between the converter and the reference or the measuring reflector, respectively, in the calculation of the distance between the converter and the measuring reflector. However, this distance or the measurement thereof in terms of transit time cannot generally be considered fixed due to a different location of the sound wave generating membrane in the transducer at different temperatures, and a changing resonance frequency of the transducer at varying temperatures .
Een tweede probleem wordt gevormd door de tot nog toe gangbare methoden voor het bepalen van de looptijd van een geluidsgolf. Deze looptijd wordt op conventionele wijze verkregen door de tijd te meten welke verstrijkt tussen het tijdstip waarop een elektrische impuls aan de omzetter wordt toegevoerd en het tijdstip waarop de door de gereflecteerde geluidsgolf in de omzetter opgewekte elektrische spanning een bepaald niveau over- of onderschrijdt. De eigenschappen van de door de omzetter uitgezonden geluidsgolf zijn afhankelijk van de frequentie van de aan de omzetter toegevoerde elektrische impuls, de amplitude daarvan en de centrale frequentie van de omzetter, welke laatstgenoemde frequentie weer in hoofdzaak afhankelijk is van de elektrische voorspanning op de omzetter en de mechanische voorspanning van het de geluidsgolf opwekkende membraan in de omzetter. De geluidsgolf, welke uiteindelijk na reflectie terugkeert bij de omzetter en in de tijd gezien een aanzwellend en vervolgens uitstervend sinusvormig verloop heeft, is ten opzichte van de oorspronkelijk uitgezonden geluidsgolf verzwakt als funktie van de afgelegde afstand en de reflecterende eigenschappen van de reflector(s), en bovendien zijn daarop in het algemeen parasitaire reflecties en eventueel storend omgevingsgeluid gesuperponeerd. Het is derhalve ten eerste een probleem om de gezochte gereflecteerde geluidsgolf, na omzetting daarvan in een elektrisch signaal, te detecteren, en ten tweede in het algemeen onmogelijk hierbij nauwkeurig het begin van de gereflecteerde geluidsgolf vast te stellen, omdat onbekend is op welk tijdstip tijdens het aanzwellende sinusvormige verloop van de in een elektrisch signaal omgezette gereflecteerde geluidsgolf het ingestelde detectieniveau precies wordt over- of cnderschreden, met andere woorden na welke nuldoorgang de geluidsgolf uiteindelijk gedetecteerd wordt.A second problem is the hitherto common methods for determining the transit time of a sound wave. This transit time is conventionally obtained by measuring the time that elapses between the time when an electrical impulse is applied to the converter and the time at which the electrical voltage generated by the reflected sound wave in the converter exceeds or falls below a certain level. The properties of the sound wave emitted by the converter depend on the frequency of the electrical impulse supplied to the converter, its amplitude and the central frequency of the converter, the latter frequency again being substantially dependent on the electrical bias on the converter and the mechanical bias of the sound wave generating membrane in the converter. The sound wave, which eventually returns to the transducer after reflection and has a swelling and subsequently dying sinusoidal curve in time, is weakened as a function of the distance traveled and the reflective properties of the reflector (s) compared to the originally emitted sound wave. , and in addition parasitic reflections and possibly disturbing ambient noise are generally superimposed on them. It is therefore firstly a problem to detect the sought-after reflected sound wave after its conversion into an electrical signal, and secondly, it is generally impossible to accurately determine the start of the reflected sound wave, since it is unknown at what time during the swelling sinusoidal course of the reflected sound wave converted into an electrical signal exactly exceeds or falls below the set detection level, in other words after which zero crossing the sound wave is finally detected.
De uitvinding beoogt in de eerste plaats een inrichting te verschaffen waarmee een veel nauwkeuriger en reproduceer-baarder ultrasone afstandsmeting verricht kan worden dan tot op heden mogelijk is, doordat variaties van de plaats van de omzetter of het daarvan deel uitmakende membraan bij verschillende in de meetinrichting optredende omstandigheden geen invloed hebben op de nauwkeurigheid van de meting.The object of the invention is primarily to provide a device with which a much more accurate and reproducible ultrasonic distance measurement can be carried out than is possible to date, because variations of the position of the transducer or the membrane forming part thereof differ at different in the measuring device conditions do not affect the accuracy of the measurement.
In de tweede plaats beoogt de uitvinding een werkwijze te verschaffen, welke door een nauwkeurige bepaling van het begin van het op de omzetter ontvangen gereflecteerde signaal een bijzonder nauwkeurige ultrasone afstandsmeting mogelijk maakt. De inrichting en de werkwijze kunnen met voordeel in kombina-tie met elkaar toegepast worden.Secondly, it is an object of the invention to provide a method which, by accurately determining the start of the reflected signal received on the transducer, enables particularly accurate ultrasonic distance measurement. The device and the method can advantageously be used in combination with each other.
De inrichting volgens de uitvinding is voor het bereiken van het eerstgenoemde oogmerk daardoor gekenmerkt, dat op een vooraf bepaalde afstand van de referentiereflector binnen het gebied van het isotrope fluïdum op afstand van de omzetter een tweede referentiereflector voor het reflekteren van het door de omzetter uitgezonden akoustische signaal is opgesteld. Met deze maatregel is de ultrasone afstandsmeting onafhankelijk van de plaats van de omzetter in de meetopstelling uit te voeren. Men bepaalt nu de afstand van de meetreflector tot één van beide referentiereflectoren in plaats van tot de omzetter, door het verschil van de looptijden van een geluidsgolf tussen de meetreflector en één van beide referentiereflectoren te delen door het verschil van de looptijden van voornoemde of een andere geluidsgolf tussen de beide referentiereflectoren, en de uitkomst van deze deling te vermenigvuldigen met de zeer nauwkeurig bepaalbare en konstante onderlinge afstand van de referentiereflectoren.To achieve the first object, the device according to the invention is characterized in that at a predetermined distance from the reference reflector within the region of the isotropic fluid, at a distance from the transducer, a second reference reflector for reflecting the acoustic signal emitted by the transducer signal has been prepared. With this measure, the ultrasonic distance measurement can be carried out independently of the position of the transducer in the measuring setup. The distance from the measuring reflector to one of the two reference reflectors instead of the transducer is now determined by dividing the difference of the transit times of a sound wave between the measuring reflector and one of the two reference reflectors by the difference of the transit times of the aforementioned or another multiply the sound wave between the two reference reflectors, and multiply the result of this division by the highly accurately determinable and constant distance between the reference reflectors.
In principe kunnen de twee referentiereflectoren en de meetreflector in een willekeurige afstandsvolgorde ten opzichte van de omzetter zijn geplaatst, mits hun posities niet samenvallen, aangezien een detectie van één van de reflectoren in een dergelijk geval onmogelijk is. Het is in dit kader voordelig, indien de eerste en de tweede referentiereflector zich buiten het werkgebied van de meetreflector bevinden, zodat aan de hand van de tijdsvolgorde van de ontvangen gereflecteerde geluidsgolven eenvoudig vastgesteld kan worden, welk gereflecteerd geluidssignaal correspondeert met welke reflector.In principle, the two reference reflectors and the measuring reflector can be placed in any order of distance from the transducer, provided their positions do not coincide, since detection of one of the reflectors is impossible in such a case. In this context it is advantageous if the first and the second reference reflector are located outside the working area of the measuring reflector, so that the reflected sound signal corresponding to which reflector can easily be determined on the basis of the time sequence of the received reflected sound waves.
Bij voorkeur worden de meetreflector en de referentiere-flectoren zodanig opgesteld, dat het werkgebied van de meetre-flector zich tussen de eerste en de tweede referentiereflector uitstrekt. Op deze wijze wordt bij een bepaald afstandsmeetbe-reik een zo hoog mogelijke nauwkeurigheid van de afstandsmeting verkregen, daar de referentiereflectoren op een zo groot mogelijke afstand van elkaar zijn opgesteld en de fout bij de bepaling van de looptijd van een geluidsgolf tussen deze reflectoren een zo klein mogelijke rol speelt bij de bepaling van de gezochte afstand tussen de meetreflector en één van de referentiereflectoren.Preferably, the measuring reflector and the reference reflectors are arranged such that the working area of the measuring reflector extends between the first and the second reference reflector. In this way, the highest possible accuracy of the distance measurement is obtained at a certain distance measuring range, since the reference reflectors are arranged as far apart as possible and the error in determining the transit time of a sound wave between these reflectors is so high. plays a small possible role in determining the required distance between the measuring reflector and one of the reference reflectors.
Op grond van de richteigenschappen van de ultrasone omzetter worden de omzetter, de meetreflector en de referentiereflectoren in het algemeen op één lijn met elkaar ge- plaatst; strikt noodzakelijk is dit echter niet.Due to the directing properties of the ultrasonic transducer, the transducer, the measuring reflector and the reference reflectors are generally aligned with one another; however, this is not strictly necessary.
In een voorkeursuitvoeringvorm wordt een reflector gevormd door een element met een onder een scherpe hoek naar de omzetter gericht convex reflecterend oppervlak. Een dergelijk convex oppervlak omvat bij een relatief eenvoudige montage daarvan steeds een deeloppervlak dat naar de omzetter is gericht.In a preferred embodiment, a reflector is formed by an element having a convex reflective surface facing the transducer at an acute angle. With a relatively simple mounting thereof, such a convex surface always comprises a partial surface which faces the converter.
In het bijzonder wordt de voorkeur gegeven aan een reflector die bestaat uit een langwerpig element met een in hoofdzaak ronde dwarsdoorsnede, van welk element de as loodrecht op de voortplantingsrichting van de geluidsgolven afkomstig van de omzetter gericht is. Een dergelijke uitvoeringsvorm paart constructieve eenvoud aan doelmatigheid voor een ultrasone afstandsmeting.Particular preference is given to a reflector which consists of an elongated element with a substantially round cross-section, the element of which axis is oriented perpendicular to the propagation direction of the sound waves from the transducer. Such an embodiment combines structural simplicity with efficiency for an ultrasonic distance measurement.
Hoewel in het voorgaande steeds sprake is geweest van de toepassing van één omzetter, hetgeen uit oogpunt van kosten het gunstigst is, kunnen ook meerdere omzetters toegepast worden, bijvoorbeeld twee, waarbij één van beide omzetters dient voor het omzetten van een elektrisch signaal in een akoustisch signaal, terwijl de andere omzetter dient voor het omzetten van een akoustisch signaal in een elektrisch signaal. Door aldus de uitzendfunktie en de ontvangstfunktie van een omzetter van elkaar te scheiden kunnen bijvoorbeeld per tijdseenheid meer metingen verricht worden dan in de situatie waarin slechts één omzetter wordt toegepast.Although the above has always referred to the use of one converter, which is the most advantageous from the viewpoint of costs, several converters can also be used, for instance two, one of the two converters serving to convert an electrical signal into an acoustic signal, while the other converter serves to convert an acoustic signal into an electrical signal. Thus, by separating the transmit function and the receive function of a converter from each other, more measurements can be made per unit time than in the situation where only one converter is used.
De werkwijze volgens de uitvinding is gekenmerkt door de volgende stappen: op een begintijdstip aan de zendomzetter toegevoerde elektrische zendimpulssignaal; detekteren van het tijdstip waarop het elektrische ontvangstsignaal een vooraf bepaald positief referentieniveau overschrijdt; detekteren of het elektrische ontvangstsignaal binnen een voorafbepaalde tijd na de overschrijding van het positieve referentieniveau een voorafbepaald negatief referentieniveau onderschrijdt; registreren van het tijdstip waarop na de onderschrijding van het negatieve referentieniveau een nuldoorgang van het elektrische ontvangstsignaal plaatsvindt; detekteren of het elektrische ontvangstsignaal na voornoemde nuldoorgang een vooraf bepaald positief validatieniveau overschrijdt, welk validatie-niveau hoger ligt dan voornoemd positief referentiesignaal; en vermindering van het tijdstip van de nuldoorgang met een bepaald aantal malen de periodetijd van het elektrische ont-vangstsignaal. In de eerste plaats maakt de werkwijze volgens de uitvinding een goede discriminatie tussen de gezochte ontvangstsignalen (met een aanzwellend en vervolgens uitstervend sinusvormig verloop) en parasitaire signalen mogelijk door niet uitsluitend een enkele niveaudetektie toe te passen, maar deze detektie te kombineren met de waarneming van andere te verwachten gebeurtenissen teneinde te kunnen beslissen of een geldig ontvangstsignaal is ontvangen. In de tweede plaats wordt door de combinatiemeting een grote ongevoeligheid voor in het ontvangstsignaal aanwezige parasitaire signalen verkregen, omdat deze in het algemeen niet zodanige afwijkingen van het ontvangstsignaal tot gevolg hebben dat dit niet meer voldoet aan de meetcriteria volgens de werkwijze.The method according to the invention is characterized by the following steps: electric transmit pulse signal applied to the transducer at an initial time; detecting the time when the electrical receive signal exceeds a predetermined positive reference level; detecting whether the electric receive signal falls below a predetermined negative reference level within a predetermined time after the positive reference level is exceeded; registering the time when a zero crossing of the electrical reception signal takes place after the negative reference level has been undershot; detecting whether the electrical receive signal after said zero crossing exceeds a predetermined positive validation level, which validation level is higher than said positive reference signal; and reducing the time of the zero crossing by a certain number of times the period time of the electrical receiving signal. In the first place, the method according to the invention enables good discrimination between the sought-after reception signals (with a swelling and subsequently dying sinusoidal course) and parasitic signals by not only applying a single level detection, but combining this detection with the observation of other expected events in order to decide whether a valid receive signal has been received. Secondly, the combination measurement provides a high insensitivity to parasitic signals present in the reception signal, because these generally do not result in deviations from the reception signal such that it no longer meets the measuring criteria according to the method.
De zendomzetter en de ontvangstomzetter kunnen onderscheiden inrichtingen zijn; de zend- en ontvangstfunkties kunnen echter ook in een enkele omzetter zijn gecombineerd, waarbij de looptijd van het akoustisch signaal tussen de omzetter en de reflektoren wordt benut voor het overbrengen van de omzetter van de zendmodus in de ontvangstmodus.The transducer and the reception transducer may be separate devices; however, the transmit and receive functions may also be combined in a single converter, the acoustic signal travel time between the converter and the reflectors being used to transmit the transducer from the transmit mode to the receive mode.
De met de werkwijze beoogde afstandsmeting kan op verschillende manieren plaatsvinden. Indien de afstand tussen een omzetter en een meetreflektor wordt gemeten en de geluids-voortplantingssnelheid in het medium waarin het akoustische signaal zich voortplant nauwkeurig bekend is, kan men volstaan met het meten van de tijd welke verstrijkt tussen het begin-tijdstip van het elektrische zendimpulssignaal en het volgens de werkwijze verkregen begintijdstip van het op de omzetter terug ontvangen elektrische ontvangstsignaal, en de aldus bepaalde tijd te halveren en te vermenigvuldigen met de ge-luidsvoortplantingssnelheid. Indien de afstand tussen een omzetter en een meetreflektor wordt gemeten en de geluidsvoor-plantingssnelheid in het medium waarin het akoustische signaal zich voortplant niet nauwkeurig bekend of geheel onbekend is, kan men op de reeds hiervoor beschreven wijze enerzijds gebruik maken van één op een vooraf bepaalde afstand van de omzetter gestelde referentiereflektor, of anderzijds van twee op een vooraf bepaalde afstand van elkaar en op afstand van de omzetter opgestelde referentiereflektoren. In het eerstgenoemde geval speelt de verstreken tijd tussen het begintijdstip van het elektrische zendimpulssignaal en de volgens de werkwijze verkregen begintijdstippen van de op de omzetter terug ontvangen elektrische ontvangstsignalen afkomstig van de meetreflektor en de referentiereflektor een rol bij het bepalen van de meetafstand; in het laatstgenoemde geval spelen uitsluitend de verstreken tijden tussen de verschillende volgens de werkwijze verkregen begintijdstippen van de op de omzetter terug ontvangen elektrische ontvangstsignalen afkomstig van de meetreflektor en de beide referentiereflektoren een rol bij het bepalen van de meetafstand.The distance measurement intended by the method can take place in various ways. If the distance between a converter and a measuring reflector is measured and the sound propagation speed in the medium in which the acoustic signal propagates is accurately known, it is sufficient to measure the time that elapses between the start time of the electric transmit pulse signal and the starting time of the electrical reception signal received on the converter, and the time thus determined, to be halved and multiplied by the sound propagation speed obtained according to the method. If the distance between a converter and a measuring reflector is measured and the sound propagation speed in the medium in which the acoustic signal propagates is not accurately known or is completely unknown, one can use one in a predetermined manner on the one hand distance from the transducer, or alternatively from two reference reflectors disposed at a predetermined distance from each other and from the transducer. In the former case, the elapsed time between the start time of the electric transmit pulse signal and the start times obtained according to the method of the electrical reception signals received back from the measuring reflector and the reference reflector and received back on the converter play a role in determining the measuring distance; in the latter case, only the elapsed times between the different starting times obtained according to the method of the electrical reception signals received back from the measuring reflector and the two reference reflectors received back on the converter play a role in determining the measuring distance.
Bij de voortplanting van een geluidsgolf in een medium treedt onherroepelijk een verzwakking van het -oorspronkelijke signaal op, d.w.z. de amplitude daarvan wordt met het verstrijken van de tijd kleiner. Om desondanks de werkwijze volgens de uitvinding, waarin een positief en een negatief referentieniveau en een positief validatieniveau worden gebruikt, toe te kunnen passen, stelt men bij voorkeur het positieve referentieniveau en het positieve validatieniveau lager, en het negatieve referentieniveau hoger in naarmate de tijd verstrijkt.In the propagation of a sound wave in a medium, an attenuation of the original signal irrevocably occurs, i.e. the amplitude thereof decreases with the passage of time. Nevertheless, in order to be able to apply the method according to the invention, in which a positive and a negative reference level and a positive validation level are used, it is preferable to set the positive reference level and the positive validation level lower, and the negative reference level higher as time passes. .
De periodetijd van het elektronische ontvangstsignaal speelt een belangrijke rol bij de afstandsmeting volgens de werkwijze. Deze periodetijd kan in het algemeen door een interpretatie van een of meer elektrische ontvangstsignalen gemeten worden en als vaststaand gegeven voor de afstandsmeting gehanteerd worden. Het is echter voor de momentele nauwkeurigheid en de flexibiliteit van de meting voordeliger de periodetijd direkt van het voor de betreffende meting van belang zijnde ontvangstsignaal af te leiden, wat mogelijk is door een juiste keuze van de referentieniveau's. In het bijzonder gaat men dan te werk volgens de volgende stappen: detekteren van het tijdstip waarop het elektrische ontvangst-signaal na de voornoemde nuldoorgang opnieuw het positieve referentieniveau overschrijdt; detekteren of het elektrische ontvangstsignaal binnen een vooraf bepaalde tijd na de overschrijding van het positieve referentieniveau het negatieve referentieniveau opnieuw onderschrijdt; registreren van het tijdstip waarop na de voornoemde herhaalde onderschrijding van het negatieve referentieniveau opnieuw een nuldoorgang van het elektrische ontvangstsignaal plaatsvindt; bepalen van de periodetijd van het elektrische ontvangstsignaal uit de geregistreerde nuldoorgangen daarvan.The period time of the electronic reception signal plays an important role in the distance measurement according to the method. This period time can generally be measured by an interpretation of one or more electrical reception signals and can be used as fixed data for the distance measurement. However, it is more advantageous for the instantaneous accuracy and the flexibility of the measurement to derive the period time directly from the reception signal of importance for the measurement in question, which is possible by a correct choice of the reference levels. In particular, one proceeds according to the following steps: detecting the time at which the electrical reception signal again exceeds the positive reference level after the aforementioned zero crossing; detecting whether the electric reception signal falls below the negative reference level again within a predetermined time after the positive reference level has been exceeded; registering the time at which a zero crossing of the electrical reception signal again takes place after the aforementioned repeated undershoot of the negative reference level; determining the period time of the electrical receiving signal from its recorded zero crossings.
De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekeningen, waarin:The invention is elucidated on the basis of the drawings, in which:
Fig. 1 een gedeeltelijk opengewerkt perspectivisch aanzicht toont van een uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding;Fig. 1 shows a partly cut-away perspective view of an embodiment of a device according to the invention;
Fig. 2a een gedeeltelijke langsdoorsnede toont van de inrichting volgens fig. 1;Fig. 2a shows a partial longitudinal section of the device according to FIG. 1;
Fig. 2b een soortgelijke doorsnede als die volgens fig. 2a toont, met een eerste alternatieve onderlinge opstelling van reflectoren;Fig. 2b shows a section similar to that of FIG. 2a, with a first alternative mutual arrangement of reflectors;
Fig. 2c opnieuw een soortgelijke doorsnede als die volgens fig. 2a toont, met een tweede alternatieve opstelling van reflectoren;Fig. 2c again shows a section similar to that of fig. 2a, with a second alternative arrangement of reflectors;
Fig. 3 een blokschema van een elektronische schakeling voor het uitvoeren van een ultrasone afstandsmeting toont;Fig. 3 shows a block diagram of an electronic circuit for carrying out an ultrasonic distance measurement;
Fig. 4a het elektrische zendimpulssignaal als funktie van de tijd toont; enFig. 4a shows the electric transmit pulse signal as a function of time; and
Fig. 4b het elektrische ontvangstsignaal als funktie van de tijd toont.Fig. 4b shows the electrical reception signal as a function of time.
Fig. 1 en 2a tonen een langwerpige buisvormige omhulling 2 welke aan de beide open uiteinden is afgesloten met deksels 4 respektievelijk 6. In het deksel 4 is een ultrasone omzetter 8 aangebracht voor het omzetten van een via de elektrische leidingen 10 aan de omzetter 8 toegevoerd elektrisch signaal in een akoustisch signaal en omgekeerd. De omzetter 8 is zodanig in het deksel 4. opgenomen, dat de daarmee opgewekte geluidsenergie in hoofdzaak langs de as van de omhulling 2 binnen de omhulling wordt uitgezonden. Er zij opgemerkt, dat hier weliswaar sprake is van ultrasoon geluid, d.w.z. geluid dat voor het menselijk oor niet waarneembaar is, maar dat de toepassing van de uitvinding niet tot dergelijk geluid beperkt is en ook een omzetter voor hoorbaar geluid toegepast kan worden. De omzetter 8 is bijvoorbeeld van het elektrostatische type en wordt op een gebruikelijke wijze bekrachtigd met een gelijkspanning in de orde van grootte van 100-200 V, waarop ten behoeve van de afstandsmeting een halve periode van een sinusvormige spanning met een amplitude van 100-200 V wordt gesuperponeerd.Fig. 1 and 2a show an elongated tubular casing 2, which is closed at both open ends with lids 4 and 6, respectively. In the lid 4, an ultrasonic transducer 8 is arranged for converting an electrical signal supplied to the transducer 8 via the electric lines 10 in an acoustic signal and vice versa. The converter 8 is incorporated in the cover 4 in such a way that the sound energy generated therewith is emitted substantially along the axis of the envelope 2 within the envelope. It should be noted that while this is ultrasound, i.e. sound that is not perceptible to the human ear, the application of the invention is not limited to such sound and an audible sound converter can also be used. The transducer 8 is, for example, of the electrostatic type and is conventionally energized with a DC voltage of the order of 100-200 V, on which, for the purpose of distance measurement, half a period of a sinusoidal voltage with an amplitude of 100-200 V V is superimposed.
Langs de baan van de aldus opgewekte ultrasone geluidsgolf binnen de omhulling 2 zijn drie reflectoren aangebracht, te weten een eerste referentiereflector 12, een tweede refe-rentiereflector 14 en een meetreflector 16. De beide referen-tiereflectoren 12 en 14 zijn staafvormig en hebben een ronde dwarsdoorsnede. Zij strekken zich loodrecht op de as van de omhulling 2 uit en zijn op een vooraf bepaalde afstand van elkaar bevestigd aan de binnenzijde van de omhulling 2. De meetreflector 16 heeft dezelfde vorm en oriëntatie als de referentiereflectoren 12 en 14, maar is ten opzichte daarvan axiaal beweegbaar in de omhulling aangebracht. Daartoe is het deksel 6 in het centrum daarvan voorzien van een doorvoerope-ning, waardoor een in zijn lengterichting beweegbare staaf 18 of dergelijke steekt. De meetreflector 16 is aan één uiteinde van de staaf 18 bevestigd. Een niet nader getoonde lagering binnen en/of buiten de omhulling 2 zorgt ervoor, dat de beweging van de meetreflector 16 langs de as van de omhulling 2 plaatsvindt.Three reflectors are arranged along the path of the ultrasonic wave thus generated within the envelope 2, namely a first reference reflector 12, a second reference reflector 14 and a measuring reflector 16. The two reference reflectors 12 and 14 are rod-shaped and have a round shape. cross section. They extend perpendicular to the axis of the envelope 2 and are mounted at a predetermined distance from each other on the inside of the envelope 2. The measuring reflector 16 has the same shape and orientation as the reference reflectors 12 and 14, but is relative thereto arranged axially movable in the enclosure. For this purpose the lid 6 is provided in its center with a feed-through opening through which a rod 18 or the like movable in its longitudinal direction protrudes. The measuring reflector 16 is attached to one end of the rod 18. A bearing not shown in detail inside and / or outside the enclosure 2 ensures that the measurement reflector 16 moves along the axis of the enclosure 2.
De ronde vorm van de reflectoren 12, 14 en 16 garandeert een gelijkmatige en goed gedefinieerde geluidsecho, die bijzonder weinig afhankelijk is van de precieze stand van de reflector, omdat steeds een nagenoeg constant oppervlaktege-deelte van de reflector naar de omzetter toegekeerd is.The round shape of the reflectors 12, 14 and 16 guarantees an even and well-defined sound echo, which depends very little on the exact position of the reflector, because a substantially constant surface portion of the reflector always faces the transducer.
In fig. 2a is het gebied waarbinnen de meetreflector zich kan verplaatsen begrensd door de referentiereflectoren 12 en 14, en is aangeduid met 1A, indien wordt aangenomen dat de meetreflector 16 de referentieref lector en 12 en 14 niet passeert. Onder dezelfde voorwaarden zijn in fig. 2b en 2c de onderlinge plaatsing van de reflectoren ten opzichte van die van fig. 2a verwisseld. In fig. 2a treft een door de omzetter 8 uitgezonden geluidsgolf eerste referentiereflector 12, meetreflector 16 en tweede referentiereflector 14, van welke reflectoren derhalve in dezelfde volgorde zoals hiervoor genoemd een gereflecteerd signaal door de omzetter 8 wordt ontvangen. In fig. 2b treft een door de omzetter 8 uitgezonden geluidsgolf eerste referentiereflector 12', vervolgens tweede referentiereflector 14' en tenslotte meetreflector 16', welke laatste reflector zich over een afstand 1B tussen de tweede referentiereflector 14' en het deksel 6 kan verplaatsen. In fig. 2c ontmoet een door de omzetter 8 uitgezonden geluidsgolf achtereenvolgens meetreflector 16", eerste referentiereflector 12" en tweede referentieref lector 14". In het laatstgenoemde uitvoeringsvoorbeeld is de maximale verplaatsingsaf-stand van de meetreflector 16", tussen het deksel 4 en de eerste referentieref lector 12", aangeduid met lc.In Fig. 2a, the area within which the measuring reflector can move is bounded by the reference reflectors 12 and 14, and is indicated by 1A, if it is assumed that the measuring reflector 16 does not pass the reference reflector and 12 and 14. Under the same conditions, in Fig. 2b and 2c, the mutual arrangement of the reflectors with respect to that of Fig. 2a has been reversed. In Fig. 2a, a sound wave emitted by the converter 8 encounters the first reference reflector 12, the measuring reflector 16 and the second reference reflector 14, the reflectors of which therefore receive a reflected signal in the same order as mentioned above. In Fig. 2b, a sound wave emitted by the converter 8 hits first reference reflector 12 ', then second reference reflector 14' and finally measuring reflector 16 ', which last reflector can move a distance 1B between the second reference reflector 14' and the cover 6. In Fig. 2c, a sound wave emitted by the converter 8 successively encounters measuring reflector 16 ", first reference reflector 12" and second reference reflector 14 ". In the latter embodiment, the maximum displacement distance of the measuring reflector 16" is between the cover 4 and the first reference refector 12 ", denoted by lc.
De inrichting volgens fig. 2a kan als volgt gebruikt worden voor een bijzonder nauwkeurige afstandsmeting, waarbij de akoestische eigenschappen van het medium dat zich binnen de omhulling 2 bevindt, volkomen irrelevant zijn, mits het geluid zich uiteraard kan voortplanten in het medium. Allereerst wordt de omzetter 8 bekrachtigd met een elektrische voorspan-ning via de leidingen 10. Op deze spanning wordt ten behoeve van de afstandsmeting een elektrische impuls gesuperponeerd, waardoor een omzetter een geluidsgolf uitzendt binnen de omhulling 2, in hoofdzaak langs de as daarvan, in de richting van het deksel 6. De uitgezonden geluidsgolf treft ten eerste de eerste referentiereflektor 12, ten tweede de meetreflektor 16 en ten derde de tweede referentiereflektor 14. De geluidsgolf wordt in de genoemde volgorde gereflekteerd door de reflektoren 12, 16 en 14, zodat de omzetter 8 drie in de tijd gezien elkaar opvolgende echo's van de oorspronkelijke geluidsgolf terug ontvangt. Gezien de konstruktieve opbouw van de meetinrichting is een ondubbelzinnig gegeven dat de (in de tijd gezien) eerste echo afkomstig is van de eerste referen-tiereflektor 12, de tweede echo afkomstig is van de meetre-flektor 16 en de derde echo afkomstig is van de tweede refe-rentieref lektor 14. De afstand 1M1 van de meetref lektor 16 tot de referentiereflektor 12 kan nu zeer nauwkeurig, en onafhankelijk van de aktuele binnen de omhulling 2 heersende geluidssnelheid bepaald worden door het tijdsverschil tussen de ontvangst van de voornoemde tweede en eerste echo vast te stellen, deze tijdsduur te delen door het tijdsverschil tussen de ontvangst van de derde en de eerste echo, en de uitkomst van deze deling te vermenigvuldigen met de nauwkeurig bekende afstand 1R tussen de eerste referentiereflektor 12 en de tweede referentiereflektor 14. Het is uiteraard ook mogelijk de afstand 1^ tussen de tweede referentiereflektor 14 en de meetreflektor 16 nauwkeurig te meten door in de voorgaande berekening de meting van het tijdsverschil tussen de ontvangst van de tweede en de eerste echo te vervangen door de meting van het tijdsverschil tussen de ontvangst van de derde en de tweede echo.The device according to Fig. 2a can be used as follows for a particularly accurate distance measurement, in which the acoustic properties of the medium contained within the envelope 2 are completely irrelevant, provided that the sound can of course propagate in the medium. First of all, the converter 8 is energized with an electric bias via the lines 10. An electrical impulse is superimposed on this voltage for the purpose of distance measurement, so that the converter emits a sound wave within the envelope 2, essentially along its axis, in the direction of the cover 6. The emitted sound wave firstly strikes the first reference reflector 12, secondly the measuring reflector 16 and thirdly the second reference reflector 14. The sound wave is reflected in the order mentioned by the reflectors 12, 16 and 14, so that the converter 8 receives three consecutive echoes of the original sound wave in time. In view of the constructive structure of the measuring device, it is unambiguously given that the first echo (seen in time) comes from the first reference reflector 12, the second echo comes from the measuring reflector 16 and the third echo comes from the second reference reflector 14. The distance 1M1 of the measuring reflector 16 to the reference reflector 12 can now be determined very accurately, independent of the current speed of sound within the envelope 2, by the time difference between the reception of the aforementioned second and first echo to determine, divide this time by the time difference between the reception of the third and the first echo, and multiply the result of this division by the precisely known distance 1R between the first reference reflector 12 and the second reference reflector 14. It is of course also possible to accurately measure the distance 1 ^ between the second reference reflector 14 and the measuring reflector 16 by take the measurement of the time difference between the reception of the second and the first echo to be replaced by the measurement of the time difference between the reception of the third and the second echo.
Op soortgelijke wijze is de afstand 1M1' resp. 1,^' van de meetref lector 16' in de opstelling van fig. 2b ten opzichte van één of beide referentiereflektoren 12' en 14' nauwkeurig te bepalen op basis van de bekende afstand 1R' tussen de meetref lectoren 12' en 14', alsmede de afstand 1M1" resp. l^o" van de meetreflektor 16" in de opstelling van fig. 2c ten opzichte van één of beide referentieref lektor 12'' en 14'' op basis van de bekende afstand 1R'' tussen de referentiere-flektoren 12" en 14". De opstellingen van fig. 2b en 2c hebben echter ten opzichte van die van fig. 2a de beperkingen van zowel een minder groot meetbereik (1B en lc t.o.v. 1A) als een kleinere afstand tussen de referentiereflektoren (1R' en 1R" t.o.v. 1R), waardoor de nauwkeurigheid van de meting lager is.Similarly, the distance is 1M1 'resp. 1, 1 'of the measuring reflector 16' in the arrangement of Fig. 2b with respect to one or both reference reflectors 12 'and 14', to be accurately determined on the basis of the known distance 1R 'between the measuring reflectors 12' and 14 ', and the distance 1M1 "or 10" of the measuring reflector 16 "in the arrangement of FIG. 2c with respect to one or both reference refectors 12" and 14 "on the basis of the known distance 1R" between the reference -Flectors 12 "and 14". However, the arrangements of Figures 2b and 2c have, compared to that of Figure 2a, the limitations of both a smaller measuring range (1B and 1c compared to 1A) and a smaller distance between the reference reflectors (1R 'and 1R "compared to 1R), which reduces the accuracy of the measurement.
De voor de afstandsmetingen benodigde tijdmetingen kunnen bijvoorbeeld uitgevoerd worden met een elektronische schakeling waarvan het blokschema in fig. 3 is afgebeeld. De werking van de schakeling in de opstelling van fig. 2a is als volgt.The time measurements required for the distance measurements can, for example, be carried out with an electronic circuit, the block diagram of which is shown in Fig. 3. The operation of the circuit in the arrangement of Fig. 2a is as follows.
Aan een centrale verwerkingseenheid (CPU) 20 wordt een opdracht 22 toegevoerd een afstandsmeting uit te voeren. De CPU 20 start vervolgens een teller 24 waaraan vanuit een frequen-tiegenerator 26 een signaal met een hoge, stabiele frequentie wordt toegevoerd, welk signaal zorgt voor een voortdurende incrementele toename van de tellerstand. Tegelijkertijd voert de CPU 20 aan een impulsgenerator 28 een trekkersignaal toe voor het leveren van een elektrische impuls aan de omzetter 8 die daarin wordt omgezet in een geluidsgolf. De echo's van deze geluidsgolf welke enige tijd later worden opgevangen door de omzetter 8, worden daardoor toegevoerd aan een echodetektor 30, welke onderzoekt of de elke ontvangen echo als geldig beschouwd kan worden. In het geval waarin inderdaad een geldige echo vastgesteld wordt door de echodetektor 30, wordt dit gemeld aan de CPU 20, die de tellerstand van de teller 24 van dat moment opslaat in een geheugen 32. In het geheugen 32 is eveneens de bekende afstand 1R tussen twee referentiereflektoren opgeslagen. Indien na het uitzenden van een geluidsgolf door de echodetektor 30 drie geldige echo's zijn gedetekteerd en de daarbij behorende tellerstanden zijn geregistreerd in het geheugen 32, berekent de CPU op grond van de in het geheugen 32 opgeslagen tellerstanden en referentieafstand 1R de gewenste te meten afstand en voert het berekeningsresultaat 34 uit, bijvoorbeeld naar een (niet getoonde) visuele weergave-eenheid of een regelsysteem waarvan de afstandmeting deel uitmaakt.A command 22 is supplied to a central processing unit (CPU) 20 to perform a distance measurement. The CPU 20 then starts a counter 24 to which a signal of a high, stable frequency is supplied from a frequency generator 26, which signal causes a continuous incremental increase of the counter reading. At the same time, the CPU 20 supplies a pulse signal to a pulse generator 28 to supply an electrical pulse to the converter 8 which is converted therein into a sound wave. The echoes of this sound wave, which are received some time later by the transducer 8, are thereby fed to an echo detector 30, which examines whether the echo received can be considered valid. In the case where a valid echo is indeed determined by the echo detector 30, this is reported to the CPU 20, which stores the counter reading of the counter 24 at that time in a memory 32. In the memory 32, the known distance 1R is also between two reference reflectors stored. If, after the transmission of a sound wave by the echo detector 30, three valid echoes have been detected and the associated counter readings have been registered in the memory 32, the CPU calculates the desired distance to be measured and the distance to be measured, based on the counter readings stored in the memory 32 and reference distance 1R. performs the calculation result 34, for example to a visual display unit (not shown) or a control system of which the distance measurement forms part.
Fig. 4a en 4b illustreren het meetprincipe volgens de uitvinding. De omzetter 8 wordt bekrachtigd met een elektrische voorspanning UB in de orde van grootte van enige honderden volt, afhankelijk van het gebruikte type. Op de elektrische voorspanning wordt op tijdstip t! een elektrische zendimpuls Us in de vorm van een halve periode van een sinusgolf gesuperpo-neerd, welke zendimpuls een amplitude heeft ten grootte van de elektrische voorspanning UB en waarvan de frequentie op voordelige wijze nabij een resonantiefrequentie (orde van grootte 70 kHz) ligt van de omzetter bij de bepaalde elektrische voorspanning .Fig. 4a and 4b illustrate the measuring principle according to the invention. The converter 8 is energized with an electric bias voltage UB of the order of several hundred volts, depending on the type used. At the time t! an electric transmit pulse Us in the form of a half-period of a sine wave superposed, which transmit pulse has an amplitude the size of the electric bias voltage UB and whose frequency is advantageously close to a resonant frequency (of the order of magnitude 70 kHz) of the converter at the determined electrical bias.
Het elektrische zendimpulssignaal Us wordt door de omzetter 8 omgezet in een akoustisch signaal, dat na reflectie tegen een reflektor in verzwakte vorm op tijdstip t/ terugkeert bij dezelfde omzetter of terechtkomt bij een andere omzetter en aldaar wordt omgezet in een elektrisch signaal UR, dat sinusvormig is en achtereenvolgens aanzwelt en weer uitsterft. De gezochte looptijd van de geluidsgolf kan nu worden gevonden als het verschil in tijd tussen de tijdstippen tt enThe electric transmit pulse signal Us is converted by the converter 8 into an acoustic signal, which after reflection against a reflector in attenuated form returns at time t / back to the same converter or ends up at another converter and there is converted into an electric signal UR, which is sinusoidal and swells successively and then dies out again. The searched duration of the sound wave can now be found as the difference in time between the times tt and
VV
Het tijdstip tt is vooraf bepaald en is het referentiepunt voor de tijdmeting. Het tijdstip tj wordt indirekt bepaald door het tijdstip t4 van de derde nuldoorgang van het elektrische signaal UR vast te stellen en dit te verminderen met een bepaald aantal malen de periodetijd van het signaal UR.The time tt is predetermined and is the reference point for the time measurement. The time tj is indirectly determined by determining the time t4 of the third zero crossing of the electrical signal UR and reducing this by a certain number of times the period time of the signal UR.
Onder werkelijke omstandigheden zal het signaal volgens fig. 4b onregelmatiger van vorm zijn door daarop gesuperpo-neerde storende signalen als gevolg van parasitaire reflekties of storend omgevingsgeluid. Cok kunnen deze parasitaire reflekties op andere tijdstippen optraden. Teneinde te kunnen discrimineren tussen ongewenste signalen en het gezochte signaal UR wordt een dergelijk signaal alleen voor de looptijd-bepaling in behandeling genomen indien het overschrijden van een positief referentieniveau UD1 op een tijdstip binnen een bepaalde tijd wordt gevolgd door het onderschrijden van een negatief referentieniveau UD2 op een tijdstip t3. Indien dit het geval is, wordt de derde nuldoorgang op tijdstip t4 geregistreerd, maar het ontvangstsignaal UR wordt pas als geldig beschouwd indien na de nuldoorgang op tijdstip t6 een positief validatieniveau üv wordt overschreden, waarbij het positieve validatieniveau Uv een hogere waarde heeft dan het positieve referentieniveau UD1.Under actual conditions, the signal of FIG. 4b will be more irregular in shape due to interfering signals superimposed thereon as a result of parasitic reflections or disturbing ambient noise. These parasitic reflections may also occur at other times. In order to be able to discriminate between unwanted signals and the searched signal UR, such a signal is only processed for the transit time determination if the exceeding of a positive reference level UD1 at a time within a certain time is followed by falling below a negative reference level UD2. at a time t3. If this is the case, the third zero crossing is recorded at time t4, but the reception signal UR is only considered valid if after the zero crossing at time t6 a positive validation level üv is exceeded, the positive validation level Uv having a higher value than the positive reference level UD1.
Aangezien men in het algemeen niet het tijdstip t4 van de nuldoorgang, maar het tijdstip tj' van het begin van het ontvangstsignaal UR wenst te kennen, wordt van het tijdstip t4 een bepaald aantal malen (in fig. 4b anderhalf maal) de periodetijd van het ontvangstsignaal afgetrokken voor de berekening van het tijdstip tj'. De periodetijd kan zeer nauwkeurig bepaald worden door het tijdstip t5 waarop het ontvangstsignaal het positieve referentieniveau Um opnieuw overschrijdt te detecteren, en na te gaan of het overschrijden van het referentieniveau UD1 op tijdstip t5 binnen een bepaalde tijd wordt gevolgd door het onderschrijden van het negatieve referentieniveau UD2 op een tijdstip tq. Indien dit het geval is, wordt de op tijdstip t? volgende nuldoorgang van het ontvangstsignaal UR op tijdstip t8 geregistreerd, waarna de gezochte periodetijd wordt gevonden uit het verschil (t8 - t4).Since it is generally desired not to know the time t4 of the zero crossing, but the time tj 'of the beginning of the reception signal UR, the period time of the time t4 is determined from the time t4 a certain number of times (in Fig. 4b one and a half times). reception signal subtracted to calculate time tj '. The period time can be determined very accurately by detecting the time t5 at which the reception signal again exceeds the positive reference level Um and whether the exceeding of the reference level UD1 at time t5 is followed within a certain time by falling below the negative reference level. UD2 at a time tq. If this is the case, the time t? the next zero crossing of the reception signal UR is recorded at time t8, after which the searched period time is found from the difference (t8 - t4).
Het positieve referentieniveau Um, het positieve valida-tieniveau üv en het negatieve referentieniveau UD2 worden alle dichter bij het nulniveau van het ontvangstsignaal UR gelegd naarmate er meer tijd verstrijkt voordat een gereflekteerd signaal op de ontvangstomzetter wordt ontvangen, omdat dit signaal na verloop van tijd zal verzwakken.The positive reference level Um, the positive validation level üv and the negative reference level UD2 are all moved closer to the zero level of the receive signal UR as more time elapses before a reflected signal is received on the receive transducer, as this signal will over time weaken.
De inventieve inzichten welke hiervoor zijn beschreven kunnen in vele soorten nauwkeurige afstand- of lengtemetingen toegepast worden, met name indien het bijvoorbeeld uit oogpunt van slijtage bijzondere voordelen biedt kontaktloos te meten. Een dergelijke toepassing is de meting van de lengteverandering van een veer in de wielophanging van een voertuig, ter bepaling van de belasting of belading c.q. beladingsverdeling daarvan. Indien wordt aangenomen dat het verschil in veerlengte tussen die bij een ongeladen stilstaand voertuig en die bij een maximale belasting van het voertuig 150 mm bedraagt en een resolutie van 1:1000 gewenst is, dient de nauwkeurigheid van de lengtemeting ten minste 150 / (3.1000) = 50 μιη te bedragen. Uit proeven is gebleken dat bij een ultrasone afstandsmeting bij toepassing van de inventieve principes binnen een met lucht bij omgevingstemperatuur gevulde omhulling van polyvinylchloride, bij een resolutie van de tijdmeting van 100 ns, een lengtemeting met een onnauwkeurigheid van ca. 25 ^m bereikbaar is.The inventive insights described above can be applied in many types of accurate distance or length measurements, in particular if, for example, it offers special advantages from the point of view of wear, contact-free measurement. Such an application is the measurement of the change in length of a spring in the wheel suspension of a vehicle, to determine the load or load or load distribution thereof. If it is assumed that the difference in spring length between that of an unladen stationary vehicle and that of a maximum load of the vehicle is 150 mm and a resolution of 1: 1000 is desired, the accuracy of the length measurement must be at least 150 / (3.1000) = 50 μιη. Experiments have shown that with an ultrasonic distance measurement using the inventive principles within an enclosure of polyvinyl chloride filled with air at ambient temperature, at a resolution of the time measurement of 100 ns, a length measurement with an inaccuracy of approximately 25 µm is achievable.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL9200388A NL9200388A (en) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | Apparatus and method for accurate ultrasonic distance measurements |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL9200388A NL9200388A (en) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | Apparatus and method for accurate ultrasonic distance measurements |
| NL9200388 | 1992-03-03 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NL9200388A true NL9200388A (en) | 1993-10-01 |
Family
ID=19860506
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NL9200388A NL9200388A (en) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | Apparatus and method for accurate ultrasonic distance measurements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| NL (1) | NL9200388A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2443533A (en) * | 2006-10-30 | 2008-05-07 | Hymetrics Ltd | Distance sensor with moveable reference plate |
-
1992
- 1992-03-03 NL NL9200388A patent/NL9200388A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2443533A (en) * | 2006-10-30 | 2008-05-07 | Hymetrics Ltd | Distance sensor with moveable reference plate |
| GB2443533B (en) * | 2006-10-30 | 2011-06-29 | Hymetrics Ltd | Determination of sensor distance |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5118180A (en) | Method and apparatus for determining the range of vision of a motor vehicle driver upon encountering fog or other obstacle | |
| CN105474039B (en) | Method for the ambient enviroment detecting system for running vehicle | |
| US3930404A (en) | Inside diameter, outside diameter and wall tube gage | |
| US4910717A (en) | Apparatus for measuring distances | |
| EP3115755A1 (en) | System and method for measuring a speed of sound in a liquid or gaseous medium specification | |
| JPH0373823A (en) | Improved torsional wave motion fluid sensor and apparatus | |
| GB2298277A (en) | Delay line for an ultrasonic probe with an interface allowing inbuilt calibration | |
| US20060169055A1 (en) | Method and system for measuring fluid level in a container | |
| JPH02231532A (en) | Filling condition measuring apparatus | |
| JP2009236775A (en) | Object detector, vehicle opening/closing control system using the object detector, and method for detecting rising edge of envelope curve | |
| CA2699474C (en) | Acoustic thickness measurements using gas as a coupling medium | |
| WO1996024029A1 (en) | Ultrasonic flowmeter 'w' | |
| JP4286107B2 (en) | Coin accumulation measurement | |
| US7259864B1 (en) | Optical underwater acoustic sensor | |
| NL8003086A (en) | METHOD AND APPARATUS FOR LOCATING A LIGHT OR FLASH ARC IN A WAVE PIPE | |
| NL9200388A (en) | Apparatus and method for accurate ultrasonic distance measurements | |
| JP3711885B2 (en) | Pipe internal pressure measuring device and pipe internal pressure measuring method | |
| EP2417444B1 (en) | Acoustic method and device for investigating the presence and/or properties of a liquid droplet | |
| CN104272066B (en) | For the method measuring the liquid level of liquid | |
| CA1299728C (en) | Pressure sensor | |
| US5936160A (en) | Method and apparatus for measuring sound velocity in liquid | |
| EP3654041A1 (en) | Volume acceleration sensor calibration | |
| EP1233281A1 (en) | Apparatus and method for reducing the effects of a fluid motion on measuring distances by means of acoustic waves | |
| Dong et al. | Resonance acoustic field position sensor | |
| JPH022111B2 (en) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A1B | A search report has been drawn up | ||
| BV | The patent application has lapsed | ||
| AK | Correction of former applications already laid open |
Free format text: PAT.BUL.19/95;PATENT APPLICATION NO.9200388 SHOULD BE DELETED |
|
| BV | The patent application has lapsed |