JPS62266480A

JPS62266480A - 超音波による距離測定方式及びその送波装置

Info

Publication number: JPS62266480A
Application number: JP61110337A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Miyazaki; 裕道宮崎
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 1986-05-14
Filing date: 1986-05-14
Publication date: 1987-11-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、超音波による距離？ｌ１ｌｌ定方式及びそ
の送波装置に関し、ノイズとか、伝搬媒体、受波器の感
度、送波器と受波器との距離等に影響され難く、より正
確な測距が可能な超音波による距離測定方式及びその送
波装置に関する。

［従来の技術］超音波を用いて２点間の距離を７１１１１定する方法と
しては、送受波器から超音波のバースト波をパルス状に
発射して、測定物の表面から反射して戻って来る信号、
すなわち、エコーを送受波器で受けて測距する装置が知
られている。その距離の計測は、送信時点からエコーの
受信までの時間を測定するものであって、超音波の伝搬
速度からそれを距離に換算する。また、送波器と受波器
とを独５γにして、送波器から送信された波の反射波を
受波器で受けるか、測定物側に送波器又は受波器のいず
れか一方を設置し、他方には受波器又は送波器を設置し
て、送波器から発射したパルス杖の超音波を受波器で受
けることにより、前記と同様に時間を計測して測距する
ものもある。特に、後者の測距方式のうち送波器と受波
器とが離れているものにあっては、送波器側の超音波の
発射時点を受波器側に電波又は有線にて伝達する必要が
ある。

このような超音波の測距装置としては、液体貯蔵タンク
等に使用される液面計、音響測深計とか、積雪計、厚み
計等、各種のものを挙げることができる。

ところで、このような超音波を利用した測定装置の信号
としては、一定の周期をもったバースト信号が用いられ
ることが多く、この場合、問題となるのが、超音波信号
の減衰と弛みである。

［解決しようとする問題点コこのような超音波信号の減衰と弛みは、測定誤差として
現れ、特に、送波器と受波器とが独立したタイプのもの
にあっては、受波器側の受信時点をもとにして発信から
受信までの時間を計測し、測距しようとすると、波形の
減衰が測定誤差に影響をＩＪ、える。

例えば、第３図のタイミングチャートに見るように、送
波器側から時刻ｔ７に発信した超音波が時刻ｔ２に受波
器側で受信された場合に、受波器の音圧感度をＡに設定
すると、その測定時間は、ｔａとなり、真の到達時間ｔ
ｏと相違することになる。また、この感度をＢとすると
一周期分遅れたｔｂとなる。

ここで、受波器側の感度を良くすれば精度が上がること
になるが、感度を上げると、ノイズの影響が出て、ノイ
ズに弱くなるため、ある程度以下に感度を抑えざるを得
ない。

その結果、受信音波の強弱（送波器の出力とか、送波器
と受波器の距離の関係等による）によって、受信波の受
信状態（その最初の波の位置）が不確定となったり、正
確な測定を期待し難い状態となる。

［発明のＬｌｌココたがって、この発明は、このような従来技術の問題点
を解決するものであって、ノイズとか、伝搬媒体、受波
器の感度とか、送波器との距離等に影響され難（、より
正確な測距が可能な超音波による距離測定方式及びその
送波装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段コこの発明の特徴は、例えば直線杖に周波数が増加又は減
少する基準波に対応した超音波の発信波を用いて送信し
、受信側で受信した受信波と前記周波数が増加又は減少
する基準波との周波数差により距離を測定するものであ
って、距離に応じた差の周波数を得るようにした点にあ
る。

しかして、この発明の超音波による距離測定方式におけ
る手段は、所定の関数で周波数が変化する超音波を送信
側で発信し、そのタイミングに合わせて、所定の関数で
変化する超音波に対応する変化の周波数信号を発生させ
、超音波を受信し、この受信信号と発生させた周波数信
号との差の周波数の信号を得て、この差の周波数の信号
に基づき１ＩＩＩ＋離を算出するというものである。

［作用コこのように送信側で超音波を発信したタイミングに合わ
せて、超音波に対応する信号波形から超音波の受信信号
を差引（ことにより、時間のずれ分に相当する差の周波
数を得て、これにより距離を算出することができる。

このように距離が周波数で表され、受信したものの周波
数に基づくことから受信開始時間は無関係となり、受波
器側の受信感度にも影響されずに測距が可能となる。し
かも、周波数によることからノイズに影響されることは
少なく、より正確な距離測定ができる。

〔実施例コ以ド、この発明の一実施例について図面を９鰯して詳細
に説明する。

第１図は、この発明の超音波による距離測定方式を適用
した送波装置及び受波・計測装置のブロック図であり、
第２図は、その動作を説明するためのタイミング図であ
る。

第１図において、■は送波装置であり、１０は、送波装
置ｌに対する受波・計測装置である。

送波装置ｌｌ　ｌは、送信器２とランプ電圧発生回路３
、ｉｉ）変周波数発振器４、電力増幅器５、そして送１
ｇｔ器６とからなる。一方、受波・計測装置１０は、受
波器１１と、受信器１２、ランプ電圧発生回路１３、可
変周波数発振２８１４、受信増幅器１５、周波数混合／
検波部１６、増幅器１７、ゼロ・クロス検出回路１８、
クロック発生回路１９、カウンタ２０、距離演算回路２
１、そして表示装置２２とからなる。

なお、送波器６及び受波器１１は、例えば圧電素子等の
電気／音響変換器で構成される。また、可変周波数発振
″ｊＳｉ４．１４は、それぞれその制御電圧がＯＶにお
いて、基準周波数ｆＯで発振する発振器であり、ここで
は、例えば数ｋＨｚ〜十数ｋ　Ｈｚ　＋具体的には、ｆ
ｏ　＝９ｋＨｚ程度で発振させ、その周波数変調範囲が
十数ｋＨｚとする。

一方、ランプ電圧発生回路３．１３は、いわゆる鋸歯状
波を発生するものであって、ここでは、例えば数十ｍ　
ｓｅｃ〜数百ｍ５ｅｃ程度、その発生周期を−・秒乃至
は数秒ごととする。

ます、送波動作から説明すると、送波装置１のランプ電
圧発生回路３から発生する鋸歯状波の電１１（の変化に
応じて、可変周波数発振器４からは、その基準周波数ｆ
Ｏに対して第２図の（ａ）に見るように直線状に増加す
る周波数（例えば９ｋＨ２〜１ｌｋｚ程度）が発生して
、これが電力増幅器５で増幅され、送波器６より、同様
な周波数変化を持つ超音波信号が発生する。そしてこの
鋸歯状波により周波数変調された超音波が、例えば空気
中に放射される。一方、送信器２からはこの超音波信号
の送信時点にタイミングを合わすて、受波・計１１１１
装置１０の受信器１２に対して送波開始を示す信号を送
出する。

受波・計測装置１０の受信器１２がこの送波開始１３号
を受信すると、ランプ電圧発生回路１３を作動して可変
周波数発振器４と同一形状の鋸歯状波を可変周波数発振
器１４に印加する。その結果、Ｉｌｌ変周波数発振器１
４から第２図の（ｂ）に見るように、第２図（ａ）の可
変周波数発振器４の鋸歯状波発生タイミングに同期して
同様な直線状に増加する周波数が発生し、これが周波数
混合／＠彼部１６に供給される。一方、これとは、一定
時間のずれをもって、受波器１１が送波器６から送られ
た超音波信号を受信する。

この超音波信号の受信信号は、受信増幅７Ｓｌ１５によ
り増幅されて前記周波数混合／検波部１６に供給される
。ここで、周波数混合／検波部１８に人力される２つの
波の関係を示すと、第２図の（Ｃ）のように、可変周波
数発振器１４から鋸歯状波で周波数変調された信号Ｓと
、受信増幅器１５からの信号Ｐとが超音波の伝搬時間に
相当する時間ｔｏだけずれた関係にある。

ところで、周波数混合／検波部１６は、いわゆるヘテロ
ゲイン検波を行うものであって、前記の信号Ｓがその場
合の局部発振周波数に相当し、信号Ｓと信号Ｐとが混合
されて、これらの間の差の周波数Δｆがそのビート信号
として検波され、抽出される。この周波数混合／検波部
１８からの差の周波数Δｒの出力期間は、受波器１１の
受信開始時点に対応し、受信増幅器１５から得られる信
’；ｉ’Ｐの基準周波数Ｃｏに戻る時点までの間である
。

この期間を示すのが第２図の（ｄ）である。

この差の周波数Δｆの信号は、増幅器１７により増幅さ
れて、ゼロ舎クロス検出回路１８に送出される。ゼロ・
クロス検出回路１８は、周波数Δ「の信号のゼロ・クロ
ス点でトリが信号を発生する。そして、最初のゼロ・ク
ロス点のトリガ信号がカウンタ２０に人力されると、カ
ウンタ２０のカウントがスタートして、クロック発生回
路１９からのクロック信号をカウントし、次のゼロ・ク
ロス点のトリが信号に上りカウンタ２０のカウントが停
止する。ここでカウンタ２０に得られるカウント値がカ
ウント２０から距離演算回路２１へと送出される。なお
、この場合のカウント値は、差周波数Δｆの半サイクル
分の期間のカウント値である。

距離演算回路２１は、前記カウント値から、りロック信
号の周期と、その時の超音波の伝搬速度とに基づき距離
を計算して、その結果を表示装置２２に送出し、かつ、
この時点でカウンタ２０をゼロクリアして初期状態とす
る。

なお、この場合、距離演算回路２１は、カウンタ２０が
複数回、差周波数Δｆのカウントをし、これらそれぞれ
のカウント値を受けて、その平均値を得るようにしても
よく、このような場合には、ゼロ・クロス検出回路１９
及びカウンタ２０に対し、複数回初期杖態に戻して再カ
ウントするための制御信号を距離演算回路２１から送出
するようにする。

ところで、周波数差Δｆにより距離Ｌ＋ａを算出する場
合の関係は次のような式となる。

Ｌｍ＝Ｃ・Δｆ／にここで、Ｌ■は、送波器から受波器までの距離。

Ｃは、音速、には、周波数増加係数であって、前記クロ
ックパルスの周期とカウント値に関係する。

以上は、説明の都合上、−回の超音波の送信について説
明したが、実際は、−［−記送信動作が鋸歯状波の発生
サイクル（例えば１秒ごと）に繰り返す。すなわち、第
２図の（ａ）に見る周期Ｔ２のサイクルで発生して、こ
の鋸歯状波の発生期間ＴＩの間超ａ波を受信して、次の
鋸歯状波の発生期間の間にその、計測データを算出し、
これら各サイクルを多数回重ねて受信し、その平均値乃
至は特定の関数処理がなされて、距離が算出され、それ
が表示装置２２に表示されるものである。

さて、測距の具体的な態様例としては、クレーンとか、
鉄骨の先端に送？ｇＬ装置１又はその送波器６を設置し
て、床面又は地面に受波φ計測装置１０叉は受波器１１
を設け、超音波を伝送することで、クレーンの先端の空
間的な位置とか、鉄骨の設置吠態、高さなどを測看技術
加え、マイクロプロセッサを用いて算出し、測定するこ
とができる。

また、反射エコーを受信する方式であれば、液面検出等
各種の距離測定に利用できる。

以−１−説明してきたが、特に、コンピュータを用いて
処理をする場合にあっては、周波数混合／検波部１６の
差周波数信号ΔｒをＡ／Ｄ変換器、インタフェースを介
してコンピュータに入力して、マイクロプロセッサで処
理して距離を算出するようにしてもよい。　また、実施
例においては、直線状に増加する関数として鋸歯状波を
用いているが、これは、直線状に減少する関数でつあて
もよい。要するに、伝送された超音波信号の周波数変化
の関数（特に、送信側で超音波発生の際に使用した関数
）と同じ関数関係で変化する波を受信側で同期した関係
で発生させればよい。

実施例では、送波器と受波器とが別体の例を挙げている
が、これらは、同一のものを使用してもよく、例えば超
音波探傷とか、厚み計で使用される、送受信兼用の、い
わゆる探触子等を用いてもよい。なお、このような場合
の送波装置側と受波・計測装置側との送信時点の伝達は
、打線乃至は内部信号で発生させることができる。

［発明の効果］以上の説明から理解できるように、この発明にあっては
、送信側で超音波を発信したタイミングに合わせて、超
音波に対応する信号波形から超音波の受信信号を差引く
ことにより、時間のずれ分に相当する差の周波数を得て
、これにより距離を算出することができる。

このように距離が周波数で表され、受信した周波数に基
づくこから受信開始時間は無関係となり、受波器側の受
信感度にも影響されずに測距が可能となる。しかも、周
波数によることからノイズに影響されることは少なく、
より正確な距離測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の超音波による距離測定方式を適用
した送波装置及び受波・計測装置のブロック図、第２図
は、その動作を説明するためのタイミング図、第３図は
、従来の受波方式の受信波形と感度の関係の説明図であ
る。１・・・送波装置、２・・・送信器、３．１３・・・ラ
ンプ電圧発生回路、４・・・可変周波数発振器５・・・
電力増幅器、６・・・送波器、１０・・・受波・計測装
置、１１・・・受波器、１２・・・受信器、１４・・・
可変周波数発振器、１５・・・受信増幅器、１６・・・
周波数混合／検波部、１７・・・増幅器、１８・・・ゼ
ロ・クロス検出回路、１９・・・クロック発生回路、２
０・・・カウンタ、２１・・・距離演算回路、２２・・
・表示装置。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所定の関数で周波数が変化する超音波を送信側で
発信し、そのタイミングに合わせて、前記所定の関数で
変化する超音波に対応する変化の周波数信号を発生させ
、前記超音波を受信し、この受信信号と前記発生させた
周波数信号との差の周波数の信号を得て、この差の周波
数の信号に基づき距離を算出することを特徴とする超音
波による距離測定方式。
（２）所定の関数は直線状に増加するものであることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波による距
離測定方式。
（３）所定の関数で周波数が変化する超音波を送信側で
発信し、そのタイミングに合わせて、前記所定の関数で
変化する超音波に対応する変化の周波数信号を発生させ
、前記超音波を受信し、この受信信号と前記発生させた
周波数信号との差の周波数の信号を得て、この差の周波
数の信号に基づき距離を算出するために使用される前記
所定の関数で周波数が変化する超音波を送信側で送波す
ることを特徴とする送波装置。