专利名称：声波位置测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置测量系统，更具体地说，本发明涉及一种声波位置测量系统。
在声波位置测量系统领域已知使用与需检测其位置的物体相连的一个超声波发射器。还已知由该声波发射器发射沿一个声波信号导体传播的一个声波脉冲，该声频信号导体沿所说物体移动的路径延伸，并且具有预定的声波传播速度。声波脉冲沿导体向两个方向发送，并由接收器在导体的两端接收，所说物体就在这两端之间移动。每个接收器向一个测定电路发送一个电信号(指示脉冲到达各个接收器的时间)，该测定电路测量该脉冲到达两个接收器的时间差。根据这个时间差和已知的在导体中的声速，确定该物体在接收器之间的位置。在欧洲专利申请EP-0694792A1(1995年7月21日提出申请，1996年1月31日公布，申请人为德国的K.A.Schmersal有限责任公司)中公开了这样一种系统。
在电梯应用中，电梯的运行依赖于准确而可靠的位置和速度信息。这些信息用于控制电梯的运动以及某些安全功能和操作，例如打开电梯门。现代电梯使用由一个信息源例如安装在电机上的一个增量编码器发出的高分辨率位置信息来控制速度分布。但是，在与安全相关的功能方面，它们仍然依赖于设置在电梯井中的附加独立开关。
实现对电梯车厢在电梯井中位置的高分辨率测量的一种方法是使用上述的声波位置传感器。在这种情况下，测量声波脉冲沿从电梯车厢至位于电梯井底部和顶部的接收器的一条导线传送。根据接收到脉冲的时间差计算出电梯车厢的位置。
但是，这种系统有许多缺点。特别是，如果由于温度效应造成信号导体长度的改变，就会使得位置测量的准确性降低。此外，使用接收时间差只能提供一条位置信息信道。因此，接收器以外的位移或信号路径长度的任何其它变化都可能导致无法从信号信息中检测到的错误的测量结果。此外，有与温度相关的变化引起的信号速度的不准确性也完全会转移到位置测量结果中。所以，需要克服电梯应用中的这些缺陷。本发明的目的是提供一种容错和测量精度不受温度影响的声波位置测量系统。
根据本发明，用于测量一个物体位置的一种方法包括以下步骤(a)由与该物体相连的一个发射器发射沿一个导体传播的声波信号；(b)在一个第一接收器处接收所说声波信号，所说第一接收器位于沿所说导体距所说发射器第一距离的位置；(c)在一个第二接收器处接收所说声波信号，所说第二接收器位于距所说发射器第二距离并且在所说发射器与所说第一接收器相反的一侧位置；(d)计算所说发射器与所说第一接收器之间的第一距离；(e)计算所说发射器与所说第二接收器之间的第二距离；和(f)将所说第一距离与所说第二距离相加计算出所说第一接收器与所说第二接收器之间的总测量距离。
本发明通过采取以下措施显著地改进了现有技术的声波位置测量系统，即增加指示发射声波脉冲时间的一个附加信号，从而使得系统能够检测到信号路径的损坏或改变(例如接收器的机械位移、声波信号传输导线松动、或者声波信号传输导线长度改变)，或者利用一个外部信号源向信号路径中发送不规则的脉冲。此外，本发明还提供了接收器之间距离的一个基准条件，该系统利用这种基准条件补偿建筑物的热胀冷缩或由温度改变引起的其它误差。本发明可以用作电梯在电梯井中的位置测量系统，或者用于检测任何沿一条预定路径移动的物体的位置。
通过以下参照附图对本发明实施例的详细描述可以更加清楚地了解本发明的上述和其它目的、特征和优点。
图1为一个现有技术声波位置检测装置的方框图。
图2为根据本发明构成的一个声波位置检测基准系统的方框图。
图3为图1所示现有技术中两个接收器接收的脉冲时序图。
图4为本发明中一个发射器和两个接收器的脉冲时序图。
图5为本发明中位置测定逻辑程序的逻辑流程图。
参见图1和图3，现有技术的位置检测系统包括一个电梯车厢12，在电梯车厢上连接有一个声波发射器14(或信号耦合器)。发射器14以预定速率产生声波信号(或脉冲)16，并沿一条声波信号导体18(或导线)传输该声波脉冲，所说导体由一个夹线装置(未示出)固定或夹持在电梯井两端。声波脉冲16从发射器14沿两个方向在导线18中传播，并且由位于沿导线18发射器14两侧的声波接收器20、22接收。当接收器20、22接收到声波脉冲时，它们分别通过线路24、26将电信号R1、R2传输到一个测定电路(或逻辑电路)30。逻辑电路30包括必要的硬件(例如，微处理器、模拟或数字电路)和/或必要的软件以执行这里所述的各种功能。
逻辑电路30测量两个脉冲16到达接收器20、22的时间差Td。进而，逻辑电路30根据该时间差Td和已知的声波在导线18中的传播速度计算电梯的位置，并通过线路32向电梯控制器34传送一个位置信号。例如，可以将Td转换成表示两个接收器距中点的距离的一个距离值(利用声波速度)，相对于中点的方向根据Td的符号确定。如果时间Td为零，则发射器位于两个接收器20、22中间。这样一种系统类似于在欧洲专利申请EP-0694792A1(1995年7月21日申请，1996年1月31日公布)中记载的系统。
参见图2和图4，本发明的位置基准系统与图1所示系统相似，但是增加了从发射器14发出的一个信号TS，该信号通过线路36传输到一个测定电路(或逻辑电路)40(其取代了图1所示的测定逻辑电路30)。逻辑电路40包括必要的硬件和软件以执行这里所述的各种功能。当将声波脉冲16发射(或发送)到导线18中时，发射器14产生电信号(或脉冲)TS。根据所测得的声波脉冲16的行进时间和已知速度使用信号TS可以测量发射器14到各个接收器20、22的绝对距离，从而提供了电梯车厢在电梯井中位置的两套独立的测量结果。
参见图4和图5，测定逻辑电路40从步骤100开始，计算脉冲TS与R1之间的时间T1，和脉冲TS与R2之间的时间T2。接着在一系列步骤102根据T1和T2和已知的声波在导线18中的声速V计算D1和D2。然后在步骤104计算等于D1和D2之和的总距离(TD)。然后，在步骤106确定是否处于起始模式或标定模式。如果处于标定模式或起始模式，则将TD保存作为总基准距离(TRD)。如果不是在标定模式或起始模式，则将TD保存作为总测量距离(TMD)。当系统处于正常测量操作状态时，以预定的速率更新TMD值，例如计算每个时间的位置。电梯井中所有预定的位置，例如楼层地面高度等，都与TMD和/或TRD相关。
接着，在步骤112将TMD与TRD比较，如果TMD与TRD之间的差大于一个预定的故障阈值，例如8毫米，在步骤114将故障标志位设定为1，并通过线路142传送到控制部分34。还可以使用其它的故障阈值。然后，在步骤116检查TMD相对于其过去值的变化是否大于一个预定量(x％)，例如50％。如果需要也可以使用其它的百分比变化率。如果判断结果为肯定，则在步骤114将故障标志位设定为1，并通过线路42将其传送到控制部分34。
然后，在步骤118通过将D1乘以一个标定因子TRD/TMD计算出D1的标定值D1SCALED来补偿温度变化。D1SCALED等于电梯车厢的绝对位置。
在步骤112、116中使用TRD和TMD参数检测不正常状态诸如损坏的或改变的信号路径。这类不正常状态可能是由于接收器的机械位移、信号路径的中断或机械位移(例如，声波导线拉松或改变长度)引起，或者通过由一个外部信号源等装置向信号路径中输入不规则脉冲引起。
此外，在步骤118使用TRD和TMD与标定因子补偿温度变化。特别是，当TMD逐渐偏离TRD而偏离值没有超过故障阈值时，温度变化似乎就是偏差的原因，因此对D1和/或D2的计算值进行标定。代替或除了计算D1SCALED之外，逻辑电路可以计算D2SCALED，即D2×(TRD/TMD)。于是经过标定的距离表示电梯车厢在电梯井中的真实位置。这种标定还补偿由于温度变化引起的建筑物膨胀造成的偏差，其中设定电梯井中的温度分布是均匀的。
接着，在步骤120利用下列公式计算出电梯车厢的速度VCARVCAR=|Position(n-2)-Position(n-1)|ΔT]]>其中Position(n-2)和position(n-1)为在前两次位置计算中计算出的位置值，ΔT为位置计算的更新速率。速度VCAR用于对D1SCALED进行调节以补偿从声波信号16发射到导体18时起至将位置信号传送到控制部分34时止的延迟时间(Td)内电梯车厢位置的变化。延迟时间Td包括两个主要分量，即声波信号沿导体18的声波传播延迟和逻辑电路30产生位置信号的计算时间/更新速率。
如果逻辑电路在计算位置(即以相同更新速率计算TMD作为位置值)之前等待接收T1和T2，则根据两个传播时间T1、T2(用于当前位置计算)中较长的一个确定时间延迟Td的传播延迟分量。或者，如果计算程序以慢于位置计算的更新速率更新总距离TMD，也可以使用两个时间T1、T2中较短的一个。Td的计算分量是根据平均更新速率和逻辑电路30的补偿时间预定的。还可以采用其它方法计算Td。
除了速度校正，逻辑电路30还对位置进行加速度校正，即速度相对于延迟时间Td的变化。在这种情况下，在步骤122计算电梯车厢加速度ACAR。可以通过取位置的二阶导数直接根据位置计算电梯车厢加速度ACAR。
然后，在步骤124利用下式计算经过速度和/或加速度校正的位置信号，并通过线路32传送到控制部分34Position=D1SCALED+POFFSET其中POFFSET为速度和/或加速度校正项。对于速度校正，POFFSET可以为(VCAR×Td)。对于速度和加速度校正，POFFSET可以是(VCAR×Td)+(1/2)ACARTd2。此外，为了进行速度和加速度校正，可以根据速度相对于时间延迟Td的平均变化调节(VCAR×Td)中的VCAR值。如果需要的话，可以采用用于补偿速度和/或加速度的其它公式。
而且，逻辑电路30可以将速度VCAR和/或加速度ACAR通过线路38传送到控制部分34。控制部分34可以将VCAR和/或ACAR用于安全系统或楼层地面对准系统，或其它用途。除了在步骤120、122分别计算VCAR和/或ACAR可以将VCAR和/或ACAR利用来自其它装置例如速度传感器或控制部分34的速度信号传送到逻辑电路30。
此外，可以对位置值进行筛选或者对预定数目的更新值求平均。例如，可以以第一更新速率，例如1毫秒(msec)进行D1SCALED计算，并对预定数目的更新值，例如3到10个更新值进行筛选或求平均。然后，利用经过筛选的D1SCALED值以较慢的更新速率，例如10毫秒进行位置计算。如果需要也可以采用其它更新速率。此外，在这种情况下，用于校正速度和/或加速度的Td值可以是Td的平均值或筛选值。
对于本发明来说不要求对位置进行速度和/或加速度校正，但是要达到所需的位置精确度可能需要进行速度和/或加速度。如果不应用速度和/加速度校正，则无需执行步骤120、122，在步骤124按照要求设定位置值等于D1SCALED或D2SCALED。
声波信号导体18可以是一条钢轨或钢缆或其它适合的用于传播具有预定声波传播速度的超声波信号的波导体。例如，如果声波信号导体18是由钢制成，则在导体18中的声速Vsound大约为5300米/秒。如果时间分辨率为188毫微秒，则测量路径的位置分辨率大约为1毫米。也可以使用具有其它声传播速度的材料作为声传播导体。
声波发射器14可以是由德国K.A.Schmersal股份有限责任公司制造的或者与之类似的发射器；但是，发射器14具有附加的输出信号。发射器14可以感应地操作，将从一个脉冲产生电路(未示出)接收的电信号耦合到导线18上的声波脉冲中。
声波接收器20、22可以是由德国K.A.Schmersal股份有限责任公司制造的或者与之类似的接收器。接收器20、22可以是压电信号输出耦合器，或者是感应式或电容式的。如果需要可以采用其它类型的发射器和/或接收器以将声波信号输入到导线18中和从中接收声波信号。
此外，线路24、26、36上的信号R1、R2、TS可以是光信号、电信号、微波信号，或者可以由逻辑电路40读取的任何其它类型的信号。此外，除了在线路24、26、36上发射信号，可以利用已知的无线技术，例如RF、微波、光波、调制等通过空气发射信号R1、R2、TS。
尽管已经参照实施例描述和图解了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的构思和范围前提下可以对本发明作出上述的、和各种其它的改进、删减和增加。
权利要求
1.用于测量一个物体位置的一种方法，该方法包括以下步骤(a)由与该物体相连的一个发射器发射沿一个导体传播的声波信号；(b)在一个第一接收器处接收所说声波信号，所说第一接收器位于沿所说导体距所说发射器第一距离的位置；(c)在一个第二接收器处接收所说声波信号，所说第二接收器位于距所说发射器第二距离并且在所说发射器与所说第一接收器相反的一侧位置；(d)计算所说发射器与所说第一接收器之间的第一距离；(e)计算所说发射器与所说第二接收器之间的第二距离；和(f)将所说第一距离与所说第二距离相加计算出所说第一接收器与所说第二接收器之间的总测量距离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说步骤(f)包括在一个预定的起始时间计算所说总测量距离并将其作为一个总基准距离的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于该方法还包括将所说总测量距离与所说总基准距离比较的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所说比较步骤包括判断所说总测量距离与所说总基准距离的偏差是否大于预定量的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说比较步骤包括判断所说总测量差值与所说总测量差值过去值的变化量是否大于预定量的步骤。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于该方法还包括通过将所说第一距离乘以所说总基准距离除以所说总测量距离而计算标定第一距离的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于该方法还包括产生表示所说标定第一距离的一个位置信号的步骤。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于该方法还包括产生表示利用物体速度校正的所说标定第一距离的位置信号的步骤。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于该方法还包括产生表示利用物体速度和加速度校正的所说标定第一距离的位置信号的步骤。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说声波信号是一个声波脉冲。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说物体是一部电梯。
12.一种声波位置测量系统，它包括一个声波发射器，其用于发射沿一个声波导体传播的声波信号，并产生表示发送所说声波信号时间的一个发送信号；一个第一声波接收器，其位于沿所说导体距所说发射器第一距离处，用于从所说导体接收所说声波信号，并产生表示接收到所说声波信号时间的一个第一接收信号；一个第二接收器，其位于距所说发射器第二距离处并且在所说发射器与所说第一接收器相反一侧，其从所说导体接收所说声波信号，并产生表示接收到所说声波信号时间的一个第二接收信号；和信号处理逻辑电路，其接收所说发送信号、所说接收信号和所说第二接收信号，并计算所说发射器与所说第一接收器之间的第一距离，计算所说发射器与所说第二接收器之间的第二距离，和将所说第一距离与所说第二距离相加计算所说第一接收器与所说第二接收器之间的总测量距离。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于所说逻辑包括在预定起始时间计算所说总测量距离，并将其作为总基准距离。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于所说逻辑包括将所说总测量距离与所说总基准距离进行比较。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于所说逻辑包括判断所说总测量距离与所说总基准距离的偏差是否超过一个预定量。
16.如权利要求12所述的系统，其特征在于所说逻辑包括判断所说总测量差值相对于所说总测量差值过去值的变化是否超过一个预定量。
17.如权利要求13所述的系统，其特征在于所说逻辑包括通过将所说第一距离乘以所说总基准距离除以所说总测量距离计算标定第一距离。
18.如权利要求16所述的系统，其特征在于所说逻辑产生表示所说标定第一距离的一个位置信号。
19.如权利要求12所述的系统，其特征在于所说声波信号是一个声波脉冲。
20.如权利要求12所述的系统，其特征在于所说系统测量一部电梯在电梯井中的位置。
21.如权利要求16所述的系统，其特征在于所说逻辑产生表示利用位置相对于时间的变化率校正的所说标定第一距离的一个位置信号。
全文摘要
用于测量一个物体，例如一部电梯，位置的一种声波位置测量系统包括用一个发射器发射沿一个导体传播的声波信号；在位于沿所说导体距所说发射器第一距离的位置的第一接收器处接收所说声波信号；在位于距所说发射器第二距离并且在所说发射器与所说第一接收器相反的一侧位置的第二接收器处接收所说声波信号；计算所说第一距离；计算所说第二距离；和将所说第一距离与所说第二距离相加计算出所说总测量距离。
文档编号G01S11/14GK1227925SQ98126010
公开日1999年9月8日 申请日期1998年12月22日 优先权日1997年12月23日
发明者U·肖瑙尔, S·斯潘哈克 申请人:奥蒂斯电梯公司