专利名称：一种基于超声调制多频声波的加速度测量装置的制作方法
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
[0005]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[0018]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。，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Si (t)=AiCos (2 π f^), Ai表示第i路单频信号的幅度，A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(t) = YjAi cos(2^-y0,0<t<T,\<i<N (公式 I)
i=\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O点，此时，第k个发射点Sk离目标的初始距离为1M，目标以速度％，、加速度a做变速运动，k取值为正整数，目标在发射点Sk与目标连线的方向上的运动速度分量为Vtlk,目标在发射点Sk与目标连线的方向上的加速度分量为ak，随着时间的变化，发射点Sk与目标之间的距离Ik为
I 9h = ho +VQkt +(公式 2)t时刻所接收到的回波所传播的距离为v_t，其中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V*- = Iko +vok- + -ak(-)2 (公式 3)因此发射点Sk接收到测量声波的回波为
N々O +17Oir--1--%(—P叻)=f5klC0S[2^/；(卜2-__2_)](公式 4)
ttV声其中，Bki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[0036]
权利要求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I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飞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。
专利摘要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。
文档编号G01P15/00GK202661480SQ20122005910
公开日2013年1月9日 申请日期2012年2月22日 优先权日2012年2月22日
发明者宁更新, 李尧辉, 韦岗, 张军 申请人:华南理工大学