[发明专利]一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于超声波原理的测点空间位移测量装置，包括计算机(2)，其特征在于：还包 括支架(1)、超声波空间位移测量部分、波速测量部分和接收转换部分；所述超声波空间位 移测量部分，包括超声波发射模块(3)、超声波接收主模块(4)、超声波接收器I(5)、超声波 接收器III(6)；所述波速测量部分，包括波速测量模块(7)，所述波速测量模块(7)包括波速 测量模块接收端(7-1)、波速测量模块发射端(7-2)；所述接收转换部分，包括数据接收器天 线(8)、数字信号转换模块(9)和USB接口(10)；所述超声波接收主模块(4)分别与超声波接 收器I(5)、超声波接收器III(6)连接，超声波接收主模块(4)、超声波接收器I(5)、超声波接 收器III(6)分别固定在支架(1)上，超声波接收主模块(4)与超声波接收器I(5)和超声波接 收器III(6)构成等边直角三角形，超声波接收主模块(4)设置在直角点处；波速测量模块发 射端(7-2)与波速测量模块接收端(7-1)连接，波速测量模块发射端(7-2)设置在支架(1)底 端；所述数字信号转换模块(9)分别与数据接收器天线(8)、USB接口(10)连接；所述超声波 发射模块(3)包括超声波发射器I(3-1)、超声波发射模块信号处理器(3-2)、无线电发射器 (3-3)、超声波发射模块天线(3-4)、电源II(3-5)，所述超声波发射模块信号处理器(3-2)分 别与超声波发射器I(3-1)无线电发射器(3-3)、电源II(3-5)连接，无线电发射器(3-3)与超 声波发射模块天线(3-4)连接；

所述超声波接收主模块(4)包括超声波接收器II(4-1)、超声波接收模块信号处理器 (4-2)、无线电发射器(4-3)、超声波接收模块天线(4-4)、电源I(4-5)，所述超声波接收模块 信号处理器(4-2)分别与超声波接收器II(4-1)、无线电发射器(4-3)和电源I(4-5)连接，无 线电发射器(4-3)与超声波接收模块天线(4-4)连接；

所述波速测量模块接收端(7-1)包括超声波接收器IV(7-1-1)、超声波信号处理器(7- 1-2)、电源III(7-1-3)、无线电发射器(7-1-4)、波速测量模块天线(7-1-5)，所述超声波信 号处理器(7-1-2)分别与超声波接收器IV(7-1-1)、电源III(7-1-3)、无线电发射器(7-1-4) 连接，无线电发射器(7-1-4)与波速测量模块天线(7-1-5)连接；

所述波速测量模块发射端(7-2)包括超声波发射器II(7-2-1)、超声波发射控制器(7- 2-2)，超声波发射器II(7-2-1)与超声波发射控制器(7-2-2)连接。

2.一种基于超声波原理的测点空间位移测量的方法，其特征在于：步骤如下，

超声波空间位移测量部分用于测量测点空间位置，超声波发射模块(3)中的超声波发 射模块信号处理器(3-2)向超声波发射器I(3-1)发出指令，发射超声波信号，同时超声波发 射模块信号处理器(3-2)向无线电发射器(3-3)发出指令，通过超声波发射模块天线(3-4) 发出无线电信号；超声波接收器I(5)和超声波接收器III(6)，以及超声波接收主模块(4)中 的超声波接收器II(4-1)接收超声波发射模块(3)中的超声波发射器(3-1)发出的超声波信 号，并将各自接收到的时间发送到超声波接收模块信号处理器(4-2)中；同时超声波接收主 模块(4)中的无线电发射器(4-3)，接收通过超声波接收模块天线(4-4)接收到的、由超声波 发射模块(3)中无线电发射器(3-3)发出的无线电信号，并传送到超声波接收模块信号处理 器(4-2)中，超声波接收模块信号处理器(4-2)将所有收集的信号进行处理，并通过无线电 发射器(4-3)发射；

波速测量部分用于测量超声波实时波速相关数据，超声波发射模块(7)的超声波信号 处理器(7-1-2)发出发射超声波的指令，传输到超声波发射控制器(7-2-2)，再控制超声波 发射器II(7-2-1)发射超声波信号；超声波接收器IV(7-1-1)接收超声波发射器(7-2-1)发 出的超声波信号，并将接收时间发送给超声波信号处理器(7-1-2)中；超声波信号处理器 (7-1-2)将信号处理，并将波速相关的实时数据通过无线电发射器(7-1-4)经由波速测量模 块天线(7-1-5)发出；

接收转换部分用于接收其他部分发出的无线电信号，并将信号转换成数字信号传输到 计算机中，数据接收器天线(8)接收来自超声波发射模块(3)、超声波接收主模块(4)和波速 测量模块(7)发出的无线电信号，对信号进行区分，并转换成数字信号，通过USB接口(10)与 计算机相连；

计算机(2)对数据进行读取，并通过空间坐标计算公式求得测点的空间坐标，通过测点 的实时空间坐标测量测点在空间的位移情况，具体求解过程如下：

首先将超声波发射模块(3)固定在测点上，当测量开始时固定测点不动，进入初始位置 测量程序；按照多次测量取平均值的方法，对测点坐标进行20次测量，剔除无效测点后确定 有效测点初始位置；建筑结构耐火试验开始后，对测点进行实时测量，为了尽可能降低误 差，采取多次测量取平均值方法，在2s内对测点坐标进行5次测量，剔除无效测点后确定此 时刻测点的位置；将初始位置和实时位置进行坐标计算，即可求得此时刻的测点位移；将数 据进行保存，并继续测量下一时刻的测点坐标，直至测量过程结束；

超声波速度v计算方法和公式如下：

设超声波发射器II(7-2-1)与超声波接收器IV(7-1-1)之间的距离为L，超声波发射器 II(7-2-1)发射超声波的时间为t_a，超声波接收器IV(7-1-1)接收到超声波信号的时间为t_b； 直接量取L，忽略电信号传播时间，则此时刻超声波的速度v_t可以按照以下公式计算：

vt=Ltb-ta---(1)]]>

测点空间坐标及位移求解公式如下：

建立空间直角坐标系，超声波接收器I(5)位于z轴，超声波接收器III(6)位于x轴，超声 波接收主模块(4)在原点；设超声波接收器I(5)、超声波接收主模块(4)和超声波接收器III (6)形成的等边直角三角形直角边长为b，超声波信号接收器I(3)位置坐标为0,0,b，接到超 声波信号的时间为t₁；超声波接收主模块(4)位置坐标为0,0,0，接收到超声波信号的时间 为t₂，接收到无线电信号的时间为t₀；超声波信号接收器III(6)位置坐标为b,0,0，接到超声 波信号的时间为t₃；此时超声波的波速为v，超声波发射模块(3)的坐标为x,y,z，则有如下 方程组：

x²+y²+z²＝[v(t₂-t₀)]²

(x-b)²+y²+z²＝[v(t₃-t₀)]²

x²+y²+(z-b)²＝[v(t₁-t₀)]²----------------------(2)

当超声波发射模块(3)发生移动时，坐标为x`,y`,z`，此时超声波波速为v`；超声波信 号接收器I(5)接到超声波信号的时间为t₁`；超声波接收主模(4)块接收到超声波信号的时 间为t<sub>2</sub>`，接收到无线电信号的时间为t₀`；超声波信号接收器III(6)接到超声波信号的时间 为t<sub>3</sub>`；则有如下方程组：

x^{`2</sup>+y<sup>`2}+z<sup>`2</sup>＝[v`(t₂`-t<sub>0</sub>`)]²

(x`-b)<sup>2</sup>+y<sup>`2</sup>+z<sup>`2</sup>＝[v`(t₃`-t<sub>0</sub>`)]²

x^{`2</sup>+y<sup>`2}+(z`-b)<sup>2</sup>＝[v`(t₁`-t<sub>0</sub>`)]²----------------------(3)

通过方程(1)求得实时波速，并对方程组(2)、(3)进行求解，分别求解出x,y,z和x`,y`, z`，则测点在X轴、Y轴和Z轴的位移变量分别为Δx、Δy、Δz，测点在空间的位移距离为Δs， 可通过如下方程组计算：

Δx＝x`-x

Δy＝y`-y

Δz＝z`-z

Δs=(x`-x)2+(y`-y)2+(z`-z)2---(4)]]>

在实际操作中，由于本发明主要面向对建筑构件耐火试验试件背火面测点位移测量， 因此依据GB/T9978-2008《建筑构件耐火试验方法》系列标准的要求，需对整个测量过程中 方程组(2)和(3)求解的测点坐标进行坐标变换，将原点坐标从超声波接收主模块(4)变

换到测点初始坐标上；假定测点初始坐标为x₀,y₀,z₀,测点在t时刻测得的坐标为x_t,y_t, z_t,则在t时刻坐标变换后的坐标x_T,y_T,z_T可按照下面的方程组计算：

x_T＝x_t-x₀

y_T＝y_t-y₀

z_T＝z_t-z₀----------------------(5)

按照方程组(4)和(5)即可求出测点的各方向位移分量和总位移距离。