[发明专利]三点式空间超声波测角测距的方法与设备

说明书

本发明涉及一种由三只超声波换能器构成的测量空间角度和距离的三点式空间超声测角测距的方法与设备。

在工程上，经常需要测量一条直线与一个平面之间的夹角或两个平面之间的夹角，有时还要测量一个点到一个平面的距离。例如，混凝土喷浆机在喷浆时，为提高喷浆质量，一是要求喷枪与被喷面保持垂直，二是要求喷枪与被喷面保持最佳喷射距离，这时就需要测量喷枪与被喷面之间所夹的角度和它们两者之间的距离。工程上的这类测量，用接触式测量仪器进行测量往往不能实现或很困难实现，特别是在距离较远、位置比较高、或因工作现场环境恶劣而导致人员不能进入现场进行测量时，接触式测量将是不可能的。目前，采用超声波进行距离测量的单一功能的仪器已有产品，而利用一台仪器同时进行角度和距离测量的设备还没有。

本发明的目的就是提供一种新型的测量一条直线与一个平面之间的空间夹角值或两平面之间的空间夹角值和一个点到一个平面之间的空间距离的方法与设备。

本发明的技术实现方案是：

将三个超声波换能器1、2、3按三者之间互为等距离的原则固定在一个发射架上，即分别以三个超声波换能器1、2、3的中心A点、B点、C点为顶点构成一个正三角形△ABC，如图2所示。当需要测量空间某直线OO″与另一平面△A′B′C′最小夹角α时（O′点是平面A′B′C′上到O点的最近点），须让该直线经过△ABC的中心O点并与其垂直，如图1所示。其具体测量方法是：三个超声波换能器1、2、3各自都有完整的超声波发射与接收系统4、5、6，这三个系统在一个共用的微机控制器20控制下，通过多路转换器19的切换，依次轮流工作，如图2所示，先分别测出A点、B点和C点至平面△A′B′C′上A′点、B′点、C′点的距离AA′、BB′和CC′。而后根据解析几何知识知，直线OO″与平面△A′B′C′的夹角α的值为

直线OO″的值为：

D＝（AA'+BB'+CC'）/3   （公式2）

L为△ABC的边长，这里α的值是直线OO″与平面△A′B′C′所成无穷多个角度中最小的一个。

同理当需要测量两个平面之间的空间夹角时，可将三个超声波换能器1、2、3所在平面△ABC与其中一个被测平面重合或平行，并使超声波换能器1、2、3的发射方向与这一平面的法线方向相平行，而后按同样方法操作三个超声测距系统测出A点、B点、C点到另一平面的距离，再按公式（1）算出两平面之间的夹角，同时按公式（2）计算出△ABC中心点到另一平面之间的距离。

本发明由四部分组成：

第一部分是三点式超声波换能器发射架13。这一部分由三个超声波换能器1、2、3和等边三角形发射架构成，三个超声波换能器1、2、3分别安装在等边三角形发射架的三个顶点上，同时三个超声波换能器1、2、3的发射方向要相同，三个超声波换能器1、2、3通过屏蔽电缆9分别与超声波发射接收电路4、5、6相联结。

第二部分是超声波发射接收电路4。它由超声波发射电路16、超声波接收电路17和检波器18构成。在一台测角测距设备中有三套结构相同的超声波发射接收电路，即4、5、6，分别控制和监视三个超声波换能器1、2、3的发射和接收波。超声波发射与收电路4、5、6与多路转换器19电联接。

第三部分是控制器7。控制器7是由微机控制器20和多路转换器19构成。多路转换器19由微机控制器20来控制，以实现三个超声波换能器1、2、3的工作转换。微机控制器20是整个测量设备的核心部分，它采用intel8098单片机系统构成，除去控制三个超声波换能器1、2、3的工作转换之外，还要完成发射时间控制、距离计算、角度计算等任务。同时还要负责把测出的角度、距离的数值送到显示器8中。

第四部分是角度距离显示器8。采用的是8位LED显示器，它通过串行通讯方式与微机控制器20相联，两者间的距离可在0～50m之间（可根据用途而定）。显示器8把从微机控制器20送来的数据显示出来。