内部轮廓超声成像系统的设计.pdf

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1、２０１４年３月机床与液压Ｍａｒ２０１４第４２卷第５期ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＶｏｌ４２Ｎｏ５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１４０５０３１内部轮廓超声成像系统的设计李勇峰，张艳花，杨录（中北大学信息与通信工程学院电子测试技术国家重点实验室，山西太原０３００５１）摘要：针对现有内部轮廓成像系统精度不高的缺点，提出一种基于三通道时差法的测距思路，实现了以ＦＰＧＡ与Ｃ８０５１Ｆ３４０单片机为控制器的内部轮廓高精度成像。该系统通过内部轮廓三通道超声测距的方式，得到３个通道的回波时间差来推算待测距离

2、，有效解决了被测物体内部轮廓表面不平坦的难题，提高了成像精度，并通过ＭＡＴＬＡＢ实现内部轮廓的实时呈现。实验表明：该系统性能稳定，精度高，量程大，有广阔的应用前景。关键词：内部轮廓成像；三通道时差法；自动增益补偿；ＭＡＴＬＡＢ中图分类号：ＴＢ５５９文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－３８８１（２０１４）５－１１１－５ＤｅｓｉｇｎｏｆＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｎｔｏｕｒＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＩｍａｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍＬＩＹｏｎｇｆｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＹａｎｈｕａ，ＹＡＮＧＬｕ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅ

3、ｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＴａｉｙｕａｎＳｈａｎｘｉ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｎｔｏｕｒｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｓｕｃｈａｓｐｏｏｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ａｔｈｒｅｅｃｈａｎｎｅｌｔｉｍｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｒａｎｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．ＩｔｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｎｔｏｕｒｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｍａｇｉｎｇｗｉｔｈＦＰＧＡａｎｄＣ８０５１Ｆ３４０ｍｉｃｒｏｃｏｍｐ

4、ｕｔｅｒａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ．Ｂｙｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｅｃｈｏｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｔｈｒｅｅｃｈａｎｎｅｌｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｔｈｒｏｕｇｈｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｎｔｏｕｒｔｈｒｅｅｃｈａｎｎｅｌｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｒａｎｇｉｎｇ，ｓｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｎｔｏｕｒｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｏｂｊｅｃｔｓｗｅｒｅｕｎｅｖｅｎｓｕｒｆａｃｅｗａｓｓｏｌｖｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅｉｍａｇｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｗａｓｉｍ

5、ｐｒｏｖｅｄ．ＴｈｅｒｅａｌｔｉｍｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｉｏｒｃｏｎｔｏｕｒｓｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｙＭＡＴＬＡＢ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｓｔａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｌａｒｇｅｒａｎｇｅ，ａｎｄｗｉｌｌｈａｖｅａｂｒｏａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｎｔｏｕｒｉｍａｇｉｎｇ；Ｔｈｒｅｅｃｈａｎｎｅｌｔｉｍｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ；Ａｕｔｏｍａｔｉｃｇａｉｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ＭＡＴＬＡＢ内部轮

6、廓成像大都采用摄像头直观成像，但在低图像显示，从而有效指导工程师的工程操作。能见度、高粉尘的环境中（如煤矿巷道），这种直观成像方法精度较低，稳定性较差。文中采用三通道时差法增益补偿测距方法，实现了大量程、高精度的超声波测距，并通过上位机软件实现对内部轮廓的实时呈现。三通道时差法的应用很好解决了内部轮廓表面不平坦对成像精度的影响，在公路隧道成像、煤矿巷道探测、曲面仿形检测等领域广泛应用。图１内轮廓成像系统的模型１内轮廓成像系统的模型内轮廓三通道时差法高精度超声波测距系统由一内轮廓超声波成像系统的模型如图１所示，假定个收发一体电路与两个接收电路共同组成

7、，测距轮廓图中圆柱体为待测物体内部轮廓，内轮廓超声成像系直径可达到１０４ｍ，设计测距精度不大于３ｍｍ。时统是由ａ、ｂ、ｃ３个超声波传感器组成的三通道探头差法超声波高精度测距模型如图２、图３所示，ａ、组在物体内部实施同一位置探头组３６０°旋转高速测ｂ、ｃ为超声波传感器，ｂ为收发一体超声测距电路，距，利用电机每隔４６ｍｓ向前推进１０ｍｍ，测得一组ａ、ｃ为超声测距回波接收电路，超声波传感器的发数据，数据及时传输到内轮廓数据处理系统进行数据射接收角度为±５５°，在ｄ１≤ｄ２时，能保证传感器ｂ处理，通过上位机软件算法在成像显示屏上进行实时先于ａ、ｃ接收到回

8、波信号，进而由时间差Δｔ１、Δｔ２收稿日期：２０１３－０３－０２作者简介：李勇峰（１９８７—），硕士研究生，主要从事超声检