一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装及检测方法与流程

1.本发明涉及超声波检测技术领域，具体涉及一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装及检测方法。


背景技术：

2.超声波本质上是一种声波，它具有声波的相关特性，比如衍射性、方向性、反射性、穿透性等。超声波换能器就是将电信号和超声波信号相互转换的一种能量转换器件。当超声波换能器作为一种独立的传感器在电子系统中使用的时候，其方向性往往成为评估其性能优劣的关键指标。对于一个发射型换能器，方向特性的尖锐程度决定了它发射超声波声能的集中程度；对于一个接收型换能器，方向特性的尖锐程度决定了它所能接收超声波能量的方向范围。方向特性的好坏直接影响到超声波换能器的收发性能。
3.在实际使用过程中并没有一种易于使用的工装可供使用。通常在分析超声波换能器声程时，往往是按理想的情况进行分析，但是按理想情况进行分析和设计所带来的系统误差是无法避免的，在高精度应用中，超声波换能器指向角度所带来的误差必须予以考虑和重视。
4.以往的设计中，通常将换能器指向角度带来的误差忽略，如图1所示；但是实际上，超声波换能器发射的声波束并不是单一的一束波，而是有一定的发射角度的。这种发射角度的大小一定程度上决定了收发换能器之间的物理距离，并对接收换能器的接收灵敏度有一定要求，如果接收换能器的接收灵敏度较低，当发射换能器的发射角度较大时，声能将很分散，无法有效的激励接收换能器。
5.实际的收发示意图如图2所示；实际的发射换能器所发出的超声波声束是有角度的，由于发射指向角度的存在，实际反射的声波将会是更大范围角度的反射声波。由图2可知，接收换能器的安装位置不在反射声波的范围内，将无法接收到超声波信号。
6.因此，需要对现有技术进行改进。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种高效的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装及检测方法。
8.为解决上述技术问题，本发明提供一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，包括发射换能器、接收换能器、固定座、导轨和挡板；
9.所述发射换能器和接收换能器中的其中一个固定安装在固定座上，另一个滑动安装在导轨上；
10.所述挡板安装在发射换能器和接收换能器之间；所述挡板上开设有若干供发射换能器发出的超声波信号通过的透孔。
11.优选地，所述挡板与导轨平行设置；
12.所述发射换能器正对着挡板。
13.优选地，所述导轨上滑动设置有滑块；
14.所述滑块用于安装发射换能器或接收换能器。
15.优选地，还包括控制系统；
16.所述控制系统与滑块、发射换能器及接收换能器信号连接。
17.优选地，所述挡板上的透孔为等距设置；
18.相邻所述透孔的间距大于等于接收换能器的接收面的直径。
19.优选地，所述发射换能器、接收换能器和透孔位于同一水平面上。
20.本发明还提供一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装的检测方法，包括以下步骤：
21.将发射换能器和接收换能器中的其中一个安装在固定座上，另一个安装在导轨的滑块上；
22.启动发射换能器发射超声波信号；
23.控制滑块在导轨上滑动，在接收换能器能接收到超声波信号时，在导轨上记录超声波接收位置信息；
24.根据超声波接收位置信息，得到超声波信号接收距离；
25.获取固定座与挡板之间的距离，作为超声波信号直线距离；
26.根据超声波信号接收距离和超声波信号直线距离，得到发射指向角度。
27.优选地，所述超声波接收位置信息初始位置和终止位置；控制滑块在导轨上滑动，在接收换能器能接收到超声波信号时，在导轨上记录超声波接收位置信息，具体包括以下步骤：
28.控制滑块在导轨上从首端到尾端匀速滑动；
29.在接收换能器能接收到超声波信号时，记录下滑块在导轨上的位置，作为超声波接收位置；
30.将第一个和最后一个超声波接收位置，分别作为初始位置和终止位置。
31.优选地，根据超声波接收位置信息，得到超声波信号接收距离，具体包括以下步骤：
32.将初始位置和终止位置之间的距离长度，作为超声波信号接收距离。
33.优选地，所述发射指向角度的计算公式如下：
34.θ＝2*arctan[h/(2l)]
[0035]
式中：θ为发射指向角度；h为超声波信号接收距离；l为超声波信号直线距离。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0037]
本发明通过对固定位置的换能器发射声波束进行移动采样，从而得到发射型换能器的发射指向角度；通过对移动声波束进行固定位置采样，从而得到接收型换能器的接收指向角度。
[0038]
本发明能实现便捷、快速的对超声波换能器指向角度的检测。
[0039]
本发明通过调整收发换能器之间的垂直距离l可灵活调整检测角度θ的检测精度；
[0040]
本发明简单、小巧，控制系统只需控制步进电机的移动和换能器的激励即可，通过示波器查看接收信号。
[0041]
本发明通过换能器指向角度的检测工装能准确获得换能器的指向角度参数，为超
声波系统设计提供理论支撑。
附图说明
[0042]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
[0043]
图1是现有技术理想的超声波收发示意图；
[0044]
图2是现有技术实际的超声波收发示意图；
[0045]
图3是本发明一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装的结构示意图；
[0046]
图4是发射换能器1安装在固定座3上、接收换能器2安装在导轨4上的测试示意图；
[0047]
图5是发射换能器1安装在导轨4上、接收换能器2安装在固定座3上的测试示意图；
[0048]
图6是发射角度计算原理图；
[0049]
图7是接收角度计算原理图。
[0050]
图中：1-发射换能器；2-接收换能器；3-固定座；4-导轨；5-挡板；6-透孔。
具体实施方式
[0051]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0052]
在本说明书一个或多个实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书一个或多个实施例。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本说明书一个或多个实施例中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0053]
应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例中可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
[0054]
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
[0055]
本发明提供一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，包括发射换能器1、接收换能器2、固定座3、导轨4和挡板5；
[0056]
所述发射换能器1和接收换能器2中的其中一个固定安装在固定座3上，另一个滑动安装在导轨4上；
[0057]
所述挡板5安装在发射换能器1和接收换能器2之间；所述挡板5上开设有若干供发射换能器1发出的超声波信号通过的透孔6。
[0058]
优选地，所述挡板5与导轨4平行设置；
[0059]
所述发射换能器1正对着挡板5。
[0060]
优选地，所述导轨4上滑动设置有滑块7；
[0061]
所述滑块7用于安装发射换能器1或接收换能器2。
[0062]
优选地，还包括控制系统；
[0063]
所述控制系统与滑块7、发射换能器1及接收换能器2信号连接。
[0064]
优选地，所述挡板5上的透孔6为等距设置；
[0065]
相邻所述透孔6的间距大于等于接收换能器2的接收面的直径。
[0066]
优选地，所述发射换能器1、接收换能器2和透孔6位于同一水平面上。
[0067]
本发明还提供一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装的检测方法，包括以下步骤：
[0068]
将发射换能器1和接收换能器2中的其中一个安装在固定座3上，另一个安装在导轨4的滑块7上；
[0069]
启动发射换能器1发射超声波信号；
[0070]
控制滑块7在导轨4上滑动，在接收换能器2能接收到超声波信号时，在导轨4上记录超声波接收位置信息；
[0071]
根据超声波接收位置信息，得到超声波信号接收距离；
[0072]
获取固定座3与挡板5之间的距离，作为超声波信号直线距离；
[0073]
根据超声波信号接收距离和超声波信号直线距离，得到发射指向角度。
[0074]
优选地，所述超声波接收位置信息初始位置和终止位置；控制滑块7在导轨4上滑动，在接收换能器2能接收到超声波信号时，在导轨4上记录超声波接收位置信息，具体包括以下步骤：
[0075]
控制滑块7在导轨4上从首端到尾端匀速滑动；
[0076]
在接收换能器2能接收到超声波信号时，记录下滑块7在导轨4上的位置，作为超声波接收位置；
[0077]
将第一个和最后一个超声波接收位置，分别作为初始位置和终止位置。
[0078]
优选地，根据超声波接收位置信息，得到超声波信号接收距离，具体包括以下步骤：
[0079]
将初始位置和终止位置之间的距离长度，作为超声波信号接收距离。
[0080]
优选地，所述发射指向角度的计算公式如下：
[0081]
θ＝2*arctan[h/(2l)]
[0082]
式中：θ为发射指向角度；h为超声波信号接收距离；l为超声波信号直线距离。
[0083]
本发明用于检测超声波换能器的指向角度，弥补当前实际使用中没有该类装置的空白。
[0084]
本发明的通过步进电机带动接收换能器2或发射换能器1沿导轨4缓慢移动，测试发射指向角时，导轨4上安装的是接收换能器2，通过移动接收换能器2，获得接收换能器2最初接收到超声波信号时的接收换能器2的起始位置和最后接收到超声波信号时的接收换能器2的截止位置，从而计算得出发射指向角；测试接收指向角时，导轨4上安装的是发射换能器1，通过移动发射换能器1，获得接收换能器2最初接收到超声波信号时的发射换能器1的起始位置和接收换能器2最后接收到超声波信号时的发射换能器1的截止位置，从而计算得出接收指向角。
[0085]
为了更好的说明本发明的技术效果，本发明提供如下具体实施例说明上述技术流程：
[0086]
实施例1、一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，包括发射角度测量部
分、接收角度测量部分。其中发射和接收角度测量部分由下列部分组成：
[0087]
带有通透孔6的挡板5、导轨4、固定座3、控制系统组成，如图3所示。
[0088]
各组成部分的功能如下：
[0089]
控制系统控制步进电机的移动，测试发射指向角时，步进电机负责控制接收换能器2的移动；测试接收指向角时，步进电机负责控制发射换能器1的移动；
[0090]
固定座3负责固定换能器，测试发射指向角时，固定座3上安装的是发射换能器1；测试接收指向角时，固定座3上安装的是接收换能器2；
[0091]
挡板5为超声波声束提供通路，测试发射指向角时，超声波声束从固定座3位置处的发射换能器1发出，经过挡板5后传递给导轨4上的接收换能器2；测试接收指向角时，超声波声束从导轨4上的发射换能器1发出，经过挡板5后传递给固定座3上的接收换能器2；
[0092]
挡板5的透孔6的作用是有选择性的让超声波通过。如果不用挡板5，则会影响测试。超声波波信号实际在传播过程中是略有一定发散的，为了减小由于这些发散的微弱波形对主干波形的影响，需要用带有透孔6的挡板5进行隔离。
[0093]
透孔6的位置在垂直距离上需要与发射换能器1和接收换能器2处于同一水平高度。透孔6的间距需要大于等于超声波接收换能器的接收面的直径。例如：接收换能器2的接收面的直径为2cm，那么透孔6的间距不能小于2cm，但最好不能超过4cm。
[0094]
导轨4为换能器的移动提供通路，测试发射指向角时，导轨4上安装的是接收换能器2，通过移动接收换能器2，获得接收换能器2最初接收到超声波信号时的接收换能器2的起始位置和最后接收到超声波信号时的接收换能器2的截止位置；测试接收指向角时，导轨4上安装的是发射换能器1，通过移动发射换能器1，获得接收换能器2最初接收到超声波信号时的发射换能器1的起始位置和接收换能器2最后接收到超声波信号时的发射换能器1的截止位置。
[0095]
角度测量采用下述的测试发射指向角、测试接收指向角度这两种方式：
[0096]
一、测试发射指向角时，如图4所示，发射换能器1固定在固定座3上且发射面要与挡板5垂直，接收换能器2处于导轨4上，在导轨4上可来回移动。测试过程中，发射换能器1在激励电压的作用下持续不断的发射超声波信号，激励电压限制在30vpp，发射面与导轨4距离限定在60mm。接收换能器2在步进电机的作用下在导轨4上缓慢移动，当开始接收到超声波信号，开始记录滑块7在导轨4上的位置a，直到最后无法接收到超声波信号时，滑块7在导轨4上的位置b，此时得到点位a和点位b的距离为h，发射换能器1距离导轨4所在竖直平面的直线距离是已知值l，如图6所示。
[0097]
此时可计算出发射换能器1的发射指向角度θ为：
[0098]
θ＝2*arctan[h/(2l)]
[0099]
二、测试接收指向角度时，如图5所示，接收换能器2处于左侧固定位置处，发射换能器1处于导轨4上，发射换能器1在激励电压的作用下持续不断的发射超声波信号，并在步进电机的作用下在导轨4上移动。从接收换能器2开始接收到信号记录滑块7在导轨4上的位置c，直到接收换能器2无法接收到超声波信号为止时记录滑块7在导轨4上的位置d，得到点位c和点位d之间的距离为m，接收换能器2距离导轨4所在竖直平面的直线距离是已知值l，如图7所示。
[0100]
此时可计算出接收换能器2的接收指向角度值θ为：
[0101]
θ＝2*arctan[m/(2l)]
[0102]
控制系统可以选用通用型单片机，例如选用microchip公司的pic16f18426单片机；步进电机驱动可以选用东芝公司的tb6612驱动ic进行驱动；步进电机选用4相5线制步进电机28byj48。
[0103]
挡板5选用耐高温绝缘电木材料；
[0104]
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块、模组或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元、模组或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0105]
所述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0106]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0107]
特别地，根据本发明公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(cpu)执行时，执行本发明的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本发明上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线段、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。
[0108]
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0109]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，其特征在于，包括发射换能器(1)、接收换能器(2)、固定座(3)、导轨(4)和挡板(5)；所述发射换能器(1)和接收换能器(2)中的其中一个固定安装在固定座(3)上，另一个滑动安装在导轨(4)上；所述挡板(5)安装在发射换能器(1)和接收换能器(2)之间；所述挡板(5)上开设有若干供发射换能器(1)发出的超声波信号通过的透孔(6)。2.根据权利要求1所述的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，其特征在于：所述挡板(5)与导轨(4)平行设置；所述发射换能器(1)正对着挡板(5)。3.根据权利要求2所述的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，其特征在于：所述导轨(4)上滑动设置有滑块(7)；所述滑块(7)用于安装发射换能器(1)或接收换能器(2)。4.根据权利要求1所述的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，其特征在于，还包括控制系统；所述控制系统与滑块(7)、发射换能器(1)及接收换能器(2)信号连接。5.根据权利要求1所述的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，其特征在于：所述挡板(5)上的透孔(6)为等距设置；相邻所述透孔(6)的间距大于等于接收换能器(2)的接收面的直径。6.根据权利要求1所述的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，其特征在于：所述发射换能器(1)、接收换能器(2)和透孔(6)位于同一水平面上。7.一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装的检测方法，所述治具工装为如权利要求1-6任一所述的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，其特征在于，包括以下步骤：将发射换能器(1)和接收换能器(2)中的其中一个安装在固定座(3)上，另一个安装在导轨(4)的滑块(7)上；启动发射换能器(1)发射超声波信号；控制滑块(7)在导轨(4)上滑动，在接收换能器(2)能接收到超声波信号时，在导轨(4)上记录超声波接收位置信息；根据超声波接收位置信息，得到超声波信号接收距离；获取固定座(3)与挡板(5)之间的距离，作为超声波信号直线距离；根据超声波信号接收距离和超声波信号直线距离，得到发射指向角度。8.根据权利要求7所述的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装的检测方法，其特征在于，所述超声波接收位置信息初始位置和终止位置；控制滑块(7)在导轨(4)上滑动，在接收换能器(2)能接收到超声波信号时，在导轨(4)上记录超声波接收位置信息，具体包括以下步骤：控制滑块(7)在导轨(4)上从首端到尾端匀速滑动；在接收换能器(2)能接收到超声波信号时，记录下滑块(7)在导轨(4)上的位置，作为超声波接收位置；将第一个和最后一个超声波接收位置，分别作为初始位置和终止位置。
9.根据权利要求8所述的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，其特征在于，根据超声波接收位置信息，得到超声波信号接收距离，具体包括以下步骤：将初始位置和终止位置之间的距离长度，作为超声波信号接收距离。10.根据权利要求9所述的用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，其特征在于，所述发射指向角度的计算公式如下：θ＝2*arctan[h/(2l)]式中：θ为发射指向角度；h为超声波信号接收距离；l为超声波信号直线距离。

技术总结
本发明公开一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装，属于超声波检测技术领域；该装置包括：发射换能器、接收换能器、固定座、导轨和挡板；所述发射换能器和接收换能器中的其中一个固定安装在固定座上，另一个滑动安装在导轨上；所述挡板安装在发射换能器和接收换能器之间；所述挡板上开设有若干供发射换能器发出的超声波信号通过的透孔。本发明还提供一种用于检测超声波换能器指向角度的治具工装的检测方法。本发明能实现便捷、快速的对超声波换能器指向角度的检测。波换能器指向角度的检测。波换能器指向角度的检测。


技术研发人员：齐玉旺 姚金龙 黄双峰 梁力水 秦凯 刘晓光
受保护的技术使用者：廊坊新奥智能科技有限公司
技术研发日：2023.08.14
技术公布日：2023/10/15