基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置及方法，采用超声波信号发生装置产生超声波信号源，并向被测空间发射超声波；第一声波传感器采集该测量点上的超声波信号，第二声波传感器采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，信号处理装置接收两个声波传感器发送的超声波电信号，根据两路超声波电信号，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。

【技术实现步骤摘要】
基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置及测量方法
本专利技术涉及超声波精密测量领域，具体涉及一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置及测量方法。
技术介绍
超声波的产生、传播、接收理论与技术经过几十年的发展，特别是信息时代，成为探测领域研究热点问题。目前人们用超声波的发射，传播，障碍物反射，接收。根据所用时间算出障碍物的距离，称为超声波雷达。这种测距方法与超声波波长基本上无关。但是这种方法精度低，不可能达到纳米级精度，无法实现对微小空间距离的测量。目前常用一种激光干涉技术，测量10nm到1100μm空间距离。现有识别微小物体的方法有：各种显微镜识别微小物体，如光学显微镜，可以分辨0.2微米的小物体；电子显微镜可以识别1nm物体，扫描隧道显微镜0.1nm原子。原子力显微镜可以识别非导电材料的0.1nm原子。但是，这些方法无法快速准确实现微小空间距离的测量。随着科学技术的发展，精密测量的要求越来越高，设备成本也越来越贵。而现有的测量设备无法实现对微小空间距离的测量。因此，如何设计一种低成本、操作简单、精度更高的测量设备，仍是待解决的技术问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置及方法。本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术的第一目的是提供一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置，该测量包括：超声波信号发生装置，用于产生超声波信号源，并向被测空间发射超声波；第一声波传感器，固定在被测空间的一测量点上，用于采集该测量点上的超声波信号，并传输至信号处理装置；第二声波传感器，从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点，用于采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中，超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，并实时传输至信号处理装置；信号处理装置，用于接收两个声波传感器发送的超声波电信号，根据两路超声波电信号，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。作为本专利技术的进一步限定，所述超声波信号发生装置包括超声波信号发生器、第一放大器和发射器，所述超声波信号发生器产生超声波信号源，经过第一放大器放大后，由发射器向被测空间发射超声波。作为本专利技术的进一步限定，所述信号处理装置包括第二放大器、滤波器和双踪模拟示波器，第一声波传感器和第二声波传感器采集到的超声波电信号经过第二放大器和滤波器放大滤波后，第一声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器x轴的输入端，第二声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器y轴的输入端，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。本专利技术的第二目的是提供一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量方法，基于上述的超声波纳米精度测量装置实现，该方法包括以下步骤：采集在被测空间的一测量点上的超声波信号、被测空间的另一测量点上的超声波信号以及从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中超声波信号；利用采集到的两路超声波电信号，绘制和显示动态李萨如图；根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值；基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。作为本专利技术的进一步限定，所述动态李萨如图的绘制方法为：将第一测量点上的超声波电信号输入双踪模拟示波器的x轴输入端，将第二测量点的声波电信号以及第一测量点和第二测量点之间直线空间上各点的声波电信号输入到双踪模拟示波器的y轴输入端，形成从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图。作为本专利技术的进一步限定，所述两个测量点的超声波相位差值的计算方法为：获取李萨如图周期翻转次数，计算从一测量点沿直线移动至另一测量点过程中李萨如图位置及形状的相位角差；根据李萨如图周期翻转次数与李萨如图位置及形状的相位角差，计算两个测量点超声波相位差值。作为本专利技术的进一步限定，所述声波传播距离与相位角的关系表达式为：或，其中，ωt为相位角，λ为波长，n为常数，n＝1,2,3……。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术通过测量被测空间不同测量点的超声波信号，绘制动态李萨如图，根据李萨如图变化，计算相位角，进而得到被测空间的长度，通过波传输的相位角来精确测量微小空间距离；(2)本专利技术结构简单，设备成本低，通过选用纳米量级超声波的波长，达到纳米精度测量。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是本专利技术实施例一公开的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置结构图；图2是本专利技术实施例二公开的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量方法流程图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有采用超出波雷达的测距方法，精度低，不可能达到纳米级精度，无法实现微小空间距离测量。为了实现低成本、操作简单、高精度测量，本专利技术实施例一提出了一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置。如图1所示，该测量装置包括超声波信号发生装置、第一声波传感器、第二声波传感器和信号处理装置。所述超声波信号发生装置，用于产生超声波信号源，并向被测空间发射超声波。具体地，所述超声波信号发生装置包括超声波信号发生器、第一放大器和发射器，所述超声波信号发生器产生超声波信号源，经过第一放大器放大后，由发射器向被测空间发射超声波。本专利技术选用超声波的波长为100nm，达到10nm分辨率的测量。或者选用超声波的波长为10nm，达到1nm分辨率的测量。选用超声波的波长为纳米量级，达到纳米精度的测量。所述第一声波传感器，固定在被测空间的一测量点上，用于采集该测量点上的超声波信号，并传输至信号处理装置。所述第二声波传感器，从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点，用于采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，并实时传输至信号处理装置。所述信号处理装置，用于根据接收到的两路超声波电信号，绘制从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置，其特征是，该测量包括：超声波信号发生装置，用于产生超声波信号源，并向被测空间发射超声波；第一声波传感器，固定在被测空间的一测量点上，用于采集该测量点上的超声波信号，并传输至信号处理装置；第二声波传感器，从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点，用于采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，并实时传输至信号处理装置；信号处理装置，用于接收两个声波传感器发送的超声波电信号，根据两路超声波电信号，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置，其特征是，该测量包括：超声波信号发生装置，用于产生超声波信号源，并向被测空间发射超声波；第一声波传感器，固定在被测空间的一测量点上，用于采集该测量点上的超声波信号，并传输至信号处理装置；第二声波传感器，从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点，用于采集从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中超声波信号以及被测空间的另一测量点上的超声波信号，并实时传输至信号处理装置；信号处理装置，用于接收两个声波传感器发送的超声波电信号，根据两路超声波电信号，绘制和显示从被测空间的一测量点沿直线移动至被测空间的另一测量点过程中动态李萨如图，根据李萨如图的转动角度、旋转方向和循环次数，计算两个测量点的超声波相位差值，基于声波传播距离与相位角的关系表达式，计算被测空间的距离。2.根据权利要求1所述的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置，其特征是，所述超声波信号发生装置包括超声波信号发生器、第一放大器和发射器，所述超声波信号发生器产生超声波信号源，经过第一放大器放大后，由发射器向被测空间发射超声波。3.根据权利要求1所述的基于动态李萨如图的超声波纳米精度测量装置，其特征是，所述信号处理装置包括第二放大器、滤波器和双踪模拟示波器，第一声波传感器和第二声波传感器采集到的超声波电信号经过第二放大器和滤波器放大滤波后，第一声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器x轴的输入端，第二声波传感器采集的超声波电信号输入到双踪模拟示波器y轴的输入端，绘制和显示从被测空间的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈寿元，张田，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37