距法原理图。
[0029] 超声传感器队和B 2间的空间距离为定值，设该距离为d ;超声传感器S由初始位 置S移动到S'的距离为d2，移动过程中通过一般的长度测量方法d2可准确获得，t i为超声 波从S发射到B1接收的时长，t /为超声波从B1发射到S接收的时长，12为超声波从V 发射到B1接收的时长，t ^为超声波从B1发射到V接收的时长，t为超声波从B2发射到 B1接收的时长，t'为超声波从B1发射到B2接收的时长。采用现有多种测试方法和技术完 全可实现ti、t/、t 2、t2'、t和t'的准确测量，本发明采用控制器直接采集这些数据。
[0030] 通过测量，可获得传感器队和B 2间的固定距离d为：
[0032] 实际测量时，根据需要可随时测量t和C，则实时声速c为：
[0034] 如图2所示，为双向探测法的原理示意图，为了避免风洞内的空气流动引起的多 普勒效应对超声测距精度的影响，本文提出双向探测法用于超声精确测距，测量方法如 下：
[0035] 将两只超声传感器分别安装在低速风洞内待测距的物体上，超声传感器为一体式 超声传感器，即既能发射超声波信号，也能检测接收超声波信号，通过控制器的数据采集获 得相应数据，通过计算可得：
[0037] 式中Cljl是超声传感器B廊传感器P卩司的距离，即所测得的两物体间距离；
[0038] tjU是超声波由B i发射到P j接收的时长；
[0039] tjl2是超声波由P」发射到B i接收的时长；
[0040] c是采用上述差距法获得的实时声速。
[0041] 其中和t ]12的测量误差包括时长测量误差和时长测量时的同步触发误差，通 过现有先进的测试方法和技术完全可实现t ]u和t ]12的准确测量，因此只要能准确测得实 时声速c，就可避免多普勒效应和环境条件（如介质密度、温度、压力和湿度等）对测距精度 的影响，从而获得精确的传感器&和P ,间的距离，即两待测物体间的精确距离。
[0042] 在采用超声进行精确测距时，为避免超声波的发射和绕射等现象影响测量的精 度，应注意以下问题：
[0043] 任一配对测距的超声传感器应采用分时测量技术，即从时间历程上来看，每组超 声传感器间发射端与接受端的距离测量为依次逐个测量。
[0044] 超声波换能器发出的超声波是具有一定宽度的等幅余弦波，为避免干扰，对于配 对测量的每组超声传感器的发射端和接受端，应确定在超声波信号中的同一点作为时间检 测点，并适当提高比较器的阈值。
[0045] 超声测距时超声传播时长采样的周期应为风洞低频脉动的整周期，以避免待测物 体振动对测量结果的影响。
[0046] 超声测距时超声传播时长采样的频率为工频的整数倍，以避免电源对测量数据的 影响。
[0047] 本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1. 一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于包括控制器和五只超声传感器 (BpB2、S、BpPj)，其中两只超声传感器（B。B2)固定安装在低速风洞内壁上，一只超声传感 器（S)为移动端设置在风洞内，另外两只超声传感器（B^P,)分别固定设置在两个被测物体 上，被测物体置于低速风洞内，所述五只超声传感器均为收发一体式传感器，五只超声传感 器的信号输出端分别与控制器相连； 所述系统采用的测距方法由差距法和双向探测法两部分组成，如下： 差距法，用于测得两只固定设置在风洞内壁上的超声传感器（BpB2)之间的距离d，方 法为：控制器采集超声波从超声传感器（S)发射到超声传感器（BJ的接收时长为h，控制 器采集超声波从超声传感器（BJ发射到超声传感器（S)的接收时长为t/ ;移动超声传感 器（S)距离d2，然后由控制器采集超声波从超声传感器（S)发射超声波到超声传感器（Β》 的接收时长为t2，制器采集超声波从超声传感器（BJ发射到超声传感器（S)的接收时长为 V;控制器采集超声波从超声传感器（B2)发射到超声传感器（BJ的接收时长为t，控制 器采集超声波从超声传感器（Β^发射到超声传感器（B2)的接收时长为t';通过计算可得 到：双向探测法，用于非接触精确测量低速风洞内两物体间的距离，方法为：设置在被测物 体上的超声传感器相互发射超声波，控制器采集超声波由&发射到Pj接收的时长 为，超声波由匕发射到Bi接收的时长为tjl2超声传感器Bi和传感器Pj间的距离记为 '，通过计算可得到：2. 根据权利要求1所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于所述超声 传感器（S)移动距离(12是沿超声传感器（BJ和超声传感器（S)连线的延长线上的直线移 动距离。3. 根据权利要求2所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于所述超声 传感器（B1超声传感器⑶和移动后的超声传感器⑶在同一直线上。4. 根据权利要求1所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于所述每两 个超声传感器之间的测量需分时测量，即不能同时测量。5. 根据权利要求4所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于所述超声 传感器发出的超声波具有一定宽度的等幅余弦波。6. 根据权利要求5所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于所述超声 测距时超声波传播时长采样的周期为风洞低频脉动的整周期。7. 根据权利要求6所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于超声测距 时超声波传播时长采样的频率为工频的整数倍。
【专利摘要】本发明公开了一种低速风洞内的超声精确测距系统，包括设置在风洞内的五只超声传感器和控制器，其中两只超声传感器固定在风洞内壁上，一只可以在风洞内移动，另外两只分别设置在两个被测物体上，被测物体位于低速风洞内；测距采用差距法获得低速风洞内的实时声速，再利用获得的实时声速通过双向探测法测得低速风洞内两物体的精确空间距离。本发明通过采用差距法和双相探测法实现低速风洞内距离的非接触精确测量，避免了低速风洞内的空气流速、密度、压力、温度和湿度等对测距结果的影响。
【IPC分类】G01S11/14, G01M9/06
【公开号】CN105300654
【申请号】CN201510779721
【发明人】张钧, 张 林, 孙海生, 王新功, 祝明红, 梁勇, 姜德龙, 沈志洪, 倪章松, 张鹏, 李进学, 刘赟, 廖亚军
【申请人】中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月13日