一種多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于超聲定位技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種能用于多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置。本發(fā)明裝置由外殼、換能器、開關(guān)功放、信號處理器和開關(guān)電源組成。輸入220V交流市電，開關(guān)電源給信號處理器和開關(guān)功放供電使其工作，信號處理器輸出間歇簡諧信號，經(jīng)過開關(guān)功放放大后，再經(jīng)變壓器升壓，供給換能器，然后激起換能器振動，換能器把間歇簡諧聲波發(fā)射到多目標(biāo)定位所需的目標(biāo)點，使各目標(biāo)點的設(shè)備根據(jù)聲波在空氣中傳播的速度和時間確定出目標(biāo)點離聲波發(fā)射點的距離，實現(xiàn)一點發(fā)射多目標(biāo)同時定位。本發(fā)明可用于鐵路、公路等隧道挖掘工程中二襯和掌子面之間施工人員的定位，也可用于廣場、會展、公園等場合人員移動位置和逗留時間的確定。
【專利說明】
一種多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于超聲定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能用于多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]—般利用聲波發(fā)射進(jìn)行測距或定位的方法大多是利用高指向性的超聲波發(fā)射和反射完成的。為了得到較為準(zhǔn)確的測距效果，使用了高指向性的超聲波，由于超聲波在空氣中衰減很快，因而測量距離不可能太遠(yuǎn)。另外這種方法只能對反射物的距離進(jìn)行測量，既不能對反射物的種類進(jìn)行甄別，也不能反映反射物的數(shù)量。特別對于鐵路、公路等隧道挖掘過程中，二襯和掌子面之間多目標(biāo)(不同位置多個工作人員的定位)定位，往往需要聲波發(fā)射距離達(dá)200米以上，而且聲波到達(dá)的掌子面由于風(fēng)鉆、挖掘機、裝載機、重型運輸車等的工作噪聲非常大，現(xiàn)有測距超聲波由于遠(yuǎn)距離的衰減和受強背景噪聲的掩蔽作用，無法達(dá)到定位測量的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)射距離長、定位測量效果好的用于多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置。
[0004]本發(fā)明提供的用于多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置I，由機箱2、換能器3、含變壓器的開關(guān)功放4、信號處理器5和開關(guān)電源6組成，換能器3、開關(guān)功放4、信號處理器5、開關(guān)電源6一起裝配于機箱2內(nèi)，參見圖1所示。
[0005]接入220V交流市電，開關(guān)電源6給信號處理器5和開關(guān)功放4供電，使其工作，信號處理器5輸出間歇簡諧信號，經(jīng)過開關(guān)功放4放大后，再經(jīng)變壓器升壓，供給換能器3，激起換能器3振動，換能器3把間歇簡諧聲波發(fā)射到多目標(biāo)定位所需的目標(biāo)點，使各目標(biāo)點的設(shè)備根據(jù)聲波在空氣中傳播的速度和時間確定出目標(biāo)點離聲波發(fā)射點的距離，達(dá)到一點發(fā)射多目標(biāo)同時定位的目的。
[0006]本發(fā)明中，機箱2可以為長方體形、正方體形、六面體形或圓柱體形的薄殼體，材料可選用金屬。為了保證聲波的發(fā)射和換能器3的使用安全，換能器3的前端設(shè)置有安全金屬網(wǎng)，此外，無任何其它遮擋。機箱2上面還設(shè)有防水功能的220V交流輸入插座和信號輸入輸出插座，并具有整體安裝的四個聯(lián)接配件。機箱2還要具有一定的密封性能，防止灰塵和水霧的進(jìn)入。
[0007]本發(fā)明中，換能器3由聯(lián)接螺栓7、后端蓋8、壓電陶瓷片和電壓輸入端9、聚能器10、阻抗匹配層11、阻抗匹配加強層12依次連接組成，后端蓋8、壓電陶瓷片9和聚能器10通過螺栓7聯(lián)接在一起，參見附圖2所示。其中，壓電陶瓷片為環(huán)形結(jié)構(gòu)，厚度和內(nèi)外直徑根據(jù)所發(fā)射的聲波頻率決定，數(shù)量根據(jù)發(fā)射聲波的強度決定，一般由3到10塊環(huán)形結(jié)構(gòu)的陶瓷片串聯(lián)組成。由上述部件組成的換能器，根據(jù)多目標(biāo)定位的需要，可以發(fā)射7KHz到20KHz頻率內(nèi)的某一單頻的間歇簡諧聲波。對于發(fā)射確定頻率的間歇簡諧聲波，如果強度不能滿足多點定位的需要，可以由性能相同的換能器3組陣發(fā)射。
[0008]本發(fā)明中，開關(guān)功放4由橋接輸出的D類功率放大器13和變壓器14依次連接組成，參見附圖3所示。在正負(fù)80V和正負(fù)15V電源供電、由功放輸入端輸入峰峰值8V間歇簡諧信號的情況下，該功率放大器具有電源、信號、保護(hù)、削波指示、散熱風(fēng)扇電源輸出、溫度保護(hù)、中點保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)的功能，其輸出端能輸出1500瓦功率、電壓峰峰值180V，進(jìn)入變壓器14。該功率放大器13和輸出變壓器14配合輸出換能器3所需要的200V到1500V的高電壓。
[0009]本發(fā)明中，信號處理器5由微處理器15、濾波器16、八位開關(guān)17、夕卜部觸發(fā)信號輸入端18經(jīng)電路連接組成，并有電源輸入端和信號輸出端，參見附圖4所示。在正負(fù)15V供電情況下，可以為開關(guān)功放4提供峰峰值8V的間歇簡諧信號，通過調(diào)整八位開關(guān)實現(xiàn)外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)的切換，并調(diào)整輸出信號的通斷時間，保證信號間斷期間零信號輸出。
[0010]本發(fā)明中，開關(guān)電源6(附圖5)主要為信號處理器5提供正負(fù)15V電源，為開關(guān)功放4提供正負(fù)80V和正負(fù)15V電源，保證信號處理器5和開關(guān)功放4正常工作。
[0011]本發(fā)明裝置通過對換能器3、開關(guān)功放4、信號處理器5、開關(guān)電源6的設(shè)計和組合，使其能發(fā)射7KHz到20KHz之間的某一單頻率的可聽間歇簡諧聲波，并配合峰值功率和信號占空比之間協(xié)調(diào)。不但突破了傳統(tǒng)超聲波發(fā)射距離近的缺點，而且解決了大功率換能器由于長期連續(xù)工作而導(dǎo)致的發(fā)熱問題。因此該發(fā)明裝置發(fā)射的聲波，在強背景噪聲環(huán)境下，能實現(xiàn)把多部手機作為接受設(shè)備，在300米之內(nèi)任何距離的有效接收，并結(jié)合WIFI和計算機完成對多目標(biāo)的精確定位，且能保證24小時連續(xù)工作。
[0012]本發(fā)明的多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，其發(fā)射的聲波能以多部手機作為接收端，并結(jié)合WIFI和計算機完成對多目標(biāo)的精確定位。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖示。
[0014]圖2為本發(fā)明中換能器的結(jié)構(gòu)圖示。
[0015]圖3為本發(fā)明中開關(guān)功放的結(jié)構(gòu)圖示。
[0016]圖4為本發(fā)明中信號處理器的結(jié)構(gòu)圖示。
[0017]圖5為本發(fā)明中開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖示。
[0018]圖中標(biāo)號:I為能用于多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，2為機箱，3為換能器，4為開關(guān)功放(含變壓器)，5為信號處理器，6為開關(guān)電源，7為換能器聯(lián)接螺栓，8為換能器后端蓋，9為換能器壓電陶瓷片和電壓輸入端，10為換能器聚能器，11為換能器阻抗匹配層，12為換能器阻抗匹配加強層，13為橋接輸出的D類功率放大器，14為變壓器，15為信號處理器的微處理器，16為信號處理器的濾波器，17為信號處理器的八位開關(guān)，18為信號處理器的外部觸發(fā)信號輸入端。
【具體實施方式】
[0019]參見圖1，本發(fā)明I可以用螺栓或鋼帶固定，用于隧道施工時，可以固定在二襯臺車的橫梁上，換能器發(fā)射端指向施工掌子面。其他應(yīng)用，在保證換能器發(fā)射端指向所需要定位的多目標(biāo)前提下，可以把本發(fā)明裝置固定在固定或移動的支架上即可使用。本發(fā)明除可用于鐵路、公路等隧道挖掘工程中二襯和掌子面之間施工人員的定位外，還可以用于廣場、會展、公園等場合人員移動位置和逗留時間的確定。
[0020]參見圖1，給多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置I輸入220V(100V到240V均可以工作)交流市電，打開開關(guān)，本裝置開始工作。根據(jù)多目標(biāo)定位的需要，由外部控制器把開、關(guān)指令給信號處理器5，信號處理器5發(fā)出間歇簡諧信號給開關(guān)功放4，開關(guān)功放4對間歇簡諧信號進(jìn)行放大后，再經(jīng)變壓器升壓，推動換能器3工作。由換能器3發(fā)出間歇簡諧聲波，間歇簡諧聲波通過空氣介質(zhì)傳播到需要定位的目標(biāo)點。被定位目標(biāo)點的設(shè)備(如手機或其他具有聲波接收和無線傳輸功能的設(shè)備)根據(jù)聲波發(fā)射點到目標(biāo)點的傳播時間和聲波在空氣中傳播的速度，計算出目標(biāo)點到聲波發(fā)射端的距離，達(dá)到定位的目的。由于本專利的聲波發(fā)射裝置是以一定的發(fā)射角向空氣中發(fā)射聲波，因此在聲波到達(dá)區(qū)域的目標(biāo)，只要接受設(shè)備的靈敏度滿足要求，均可對其定位，所以該發(fā)射裝置可以同時對多目標(biāo)進(jìn)行定位。
[0021]如果本發(fā)明裝置用于公路、鐵路隧道施工中二襯和掌子面之間的多目標(biāo)定位，把本發(fā)明裝置I固定在二襯臺車的橫梁上，換能器3的發(fā)射端指向掌子面的中心位置。由開關(guān)功放6的器具親合器輸入220V交流電，開關(guān)電源6給信號處理器5提供正負(fù)15V的直流電，給開關(guān)功放3提供正負(fù)80V和正負(fù)15V的直流電，信號處理器和開關(guān)功放開始工作。如果定位距離要求最遠(yuǎn)達(dá)到300米，由信號處理器5的外部觸發(fā)信號輸入端18輸入觸發(fā)信號，信號處理器5發(fā)出8.5KHz的間歇正弦信號，信號持續(xù)時間100ms，間隔ls，這個信號輸入到D類功率放大器13的功放輸入端，進(jìn)行放大后由13的功放輸出端給變壓器14，經(jīng)變壓器升壓后，由變壓器輸出峰值280V的高電壓，這個電壓輸入到換能器電壓輸入端9，推動換能器3工作。由換能器3發(fā)出8.5KHz，持續(xù)時間10ms，間隔Is的聲波，聲波傳播到二襯和掌子面之間所有施工人員的手機上，由手機通過WIFI把信號傳輸給計算機，由計算機計算出每位施工人員到聲波發(fā)射點之間的距離，達(dá)到即時動態(tài)多目標(biāo)定位的目的。
【主權(quán)項】
1.一種能用于多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，其特征在于由機箱、換能器、帶有變壓器的開關(guān)功放、信號處理器和開關(guān)電源組成，換能器、開關(guān)功放、信號處理器、開關(guān)電源一起裝配于機箱內(nèi)； 接入220V交流市電，開關(guān)電源給信號處理器和開關(guān)功放供電，使其工作，信號處理器輸出間歇簡諧信號，經(jīng)過開關(guān)功放放大后，再經(jīng)變壓器升壓，供給換能器，激起換能器振動;換能器把間歇簡諧聲波發(fā)射到多目標(biāo)定位所需的目標(biāo)點，使各目標(biāo)點的設(shè)備根據(jù)聲波在空氣中傳播的速度和時間確定出目標(biāo)點離聲波發(fā)射點的距離，達(dá)到一點發(fā)射多目標(biāo)同時定位的目的。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，其特征在于所述機箱為長方體形、正方體形、六面體形或圓柱體形的薄殼體，材料選用金屬;換能器的前端設(shè)置有安全金屬網(wǎng)，此外，無任何其它遮擋;機箱上面還設(shè)有防水功能的220V交流輸入插座和信號輸入輸出插座，并具有整體安裝的四個聯(lián)接配件。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，其特征在于所述換能器由聯(lián)接螺栓、后端蓋、壓電陶瓷片和電壓輸入端、聚能器、阻抗匹配層、阻抗匹配加強層依次連接組成，后端蓋、壓電陶瓷片和聚能器通過螺栓聯(lián)接在一起;其中，壓電陶瓷片為環(huán)形結(jié)構(gòu)，厚度和內(nèi)外直徑根據(jù)所發(fā)射的聲波頻率決定，由3到10塊環(huán)形結(jié)構(gòu)的陶瓷片串聯(lián)組成;該換能器，根據(jù)多目標(biāo)定位的需要，發(fā)射7KHz到20KHz頻率內(nèi)的某一單頻的間歇簡諧聲波。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，其特征在于所述換能器對于發(fā)射確定頻率的間歇簡諧聲波，如果強度不能滿足多點定位的需要，由性能相同的換能器組陣發(fā)射。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，其特征在于所述開關(guān)功放由橋接輸出的D類功率放大器和變壓器依次連接組成，在正負(fù)80V和正負(fù)15V電源供電、由功放輸入端輸入峰峰值8V間歇簡諧信號的情況下，該功率放大器具有電源、信號、保護(hù)、削波指示、散熱風(fēng)扇電源輸出、溫度保護(hù)、中點保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)的功能，其輸出端能輸出1500瓦功率、電壓峰峰值180V，進(jìn)入變壓器;該功率放大器和輸出變壓器配合輸出換能器所需要的200V到1500V的高電壓。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，其特征在于所述信號處理器由微處理器、濾波器、八位開關(guān)、外部觸發(fā)信號輸入端經(jīng)電路連接組成，并有電源輸入端和信號輸出端;在正負(fù)15V供電情況下，為開關(guān)功放提供峰峰值8V的間歇簡諧信號，通過調(diào)整八位開關(guān)實現(xiàn)外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)的切換，并調(diào)整輸出信號的通斷時間，保證信號間斷期間零信號輸出。7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6所述的多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，其特征在于所述開關(guān)電源為信號處理器提供正負(fù)15V電源，為開關(guān)功放提供正負(fù)80V和正負(fù)15V電源，保證信號處理器和開關(guān)功放正常工作。8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6所述的多目標(biāo)定位的聲波發(fā)射裝置，其特征在于發(fā)射的聲波能以多部手機作為接收端，并結(jié)合WIFI和計算機完成對多目標(biāo)的精確定位。
【文檔編號】G01S7/534GK105891808SQ201610359967
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】馬建敏
【申請人】復(fù)旦大學(xué)