辅助超声波检测仪换能器进行空间定位的装置的制作方法

1.本发明属于空间定位技术领域，具体涉及一种辅助超声波检测仪换能器进行空间定位的装置。


背景技术：

2.暴露在野外的众多大型石质古迹，包括建筑、洞窟、石碑等石质文物，在我国历史文化遗产中占有重要的地位。经历百年甚至千年的石质文物不可避免会有裂纹、表面风化等病害。在对石质文物进行修复前需要对文物身上的病害进行调查，并尽可能对病害程度进行描述，以做针对性的修复工作。超声波检测是一种无损的检测方式，在石质文物病害调查中经常用于检测文物表面波速和裂纹深度。通过超声波检测可以得到两个测点之间超声波传播时间，用两个换能器之间的距离除以超声波传播时间即可得到超声波在这段距离的传播速度，以此对岩石表面风化程度和裂纹进行量化。
3.超声波波速测量方法有同侧直达波法和对穿法。其中同侧直达波法是在被测物体的表面进行测量，在石质文物病害调查中应用较广泛。在利用超声波检测仪对石质文物表面进行病害勘察时，需要对检测位置进行记录，并与检测数据一一对应。目前，检测位置的记录方式一般在测区的照片上进行标记，或在记录本上画测区特征。对于大面积的检测，这种方式需要打印许多测区局部的照片，逐个在照片上进行目测标记，效率低下，检测位置标记与实际误差较大。
4.为了解决在大面积超声检测过程中换能器位置记录不便的问题，发明了一种辅助超声波检测仪换能器进行空间定位的装置，用来确定换能器在测区的空间位置并与检测数据一一对应。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决在大面积超声检测过程中换能器位置记录不便，尤其是对大面积区域进行同侧直达波检测时换能器空间位置不准确及数据处理不方便的问题，本发明提出了一种辅助超声波检测仪换能器进行空间定位的装置，该装置包括两个换能器，一个超声波检测仪；两个换能器中的一个用于发射超声波，另一个用于接收超声波；该装置用于利用超声波检测仪对石质文物表面进行病害勘察时，对换能器的检测位置进行记录，进而与病害勘测数据一一对应，获取石质文物表面的病害勘测结果，该装置还包括：一个数据接收处理中心、至少四个信号收发器；
6.所述信号收发器，配置为接收信号和发射信号，并将发射信号和接收信号的时间戳发送至数据接收处理中心；其中一个信号收发器固定于两个换能器的任一个上，并将该信号收发器的位置作为待定位点，其余信号收发器的位置分散且不共线；
7.所述数据接收处理中心，配置为结合所述时间戳，计算各个信号收发器之间的间距，并利用空间测距定位原理对待定位点进行定位，进而获取换能器的位置。
8.在一些优选的实施方式中，接收信号和发射信号的信号类型包括脉冲无线电信
号、激光信号和超声波信号。
9.在一些优选的实施方式中，计算各个信号收发器之间的间距，其方法为：
10.根据所述时间戳，获取信号收发器之间信号传播所用时间；
11.基于各信号类型在空气中传播的速度，结合信号收发器之间信号传播所用时间，计算各个信号收发器之间的间距。
12.在一些优选的实施方式中，利用空间测距定位原理对待定位点进行定位时，若信号收发器的数量大于4，则除待定位点外，其余信号收发器进行三三结合，组合后，与待定位点通过预设的定位计算方法进行定位计算，获取多组定位坐标；计算多组定位坐标的中心，作为最终的待定位点的坐标；
13.若信号收发器的数量等于4，则直接通过预设的定位计算方法，得到待定位点的坐标。
14.在一些优选的实施方式中，通过预设的定位计算方法获取定位坐标，其方法为：
[0015][0016][0017][0018][0019][0020]
其中，s表示待定位点，(x，y，z)表示获取的定位坐标，p1、p2、p3表示除待定位点外的其他三三组合的信号收发器，α表示以p1为原点，以p
1-p2所在的轴为x轴，p2与p3之间的夹角，d
1-2
表示p1、p2之间的间距，d
1-3
表示p1、p3之间的间距，d
1-s
表示p1、s之间的间距，d
2-3
表示p2、p之间的间距，d
2-s
表示p2、s之间的间距，d
3-s
表示p3、s之间的间距。
[0021]
本发明的有益效果：
[0022]
本发明提升了大面积超声检测过程中换能器位置记录的便利性以及定位的准确性。
[0023]
1)本发明能够记录换能器的空间位置。相比在照片标记换能器检测位置，本发明对换能器进行空间定位能够还原检测时候的空间位置，提升了大面积超声检测过程中换能器位置记录的便利性；
[0024]
2)将检测位置的空间信息与检测结果一一对应，提高检测数据的可信度和数据处理效率；
[0025]
3)信号收发器越多定位约准确，提升定位的准确性。
附图说明
[0026]
通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本技术的其他
特征、目的和优点将会变得更明显。
[0027]
图1是本发明一种实施例的在4个信号收发器情况下对换能器定位的示例图；
[0028]
图2为本发明一种实施例的空间测距定位原理的示例图。
具体实施方式
[0029]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0031]
本发明第一实施例的一种辅助超声波检测仪换能器进行空间定位的装置，该装置包括两个换能器，一个超声波检测仪；两个换能器中的一个用于发射超声波，另一个用于接收超声波；该装置用于利用超声波检测仪对石质文物表面进行病害勘察时，对换能器的检测位置进行记录，进而与病害勘测数据一一对应，获取石质文物表面的病害勘测结果，该装置还包括：一个数据接收处理中心、至少四个信号收发器；
[0032]
所述信号收发器，配置为接收信号和发射信号，并将发射信号和接收信号的时间戳发送至数据接收处理中心；其中一个信号收发器固定于两个换能器的任一个上，并将该信号收发器的位置作为待定位点，其余信号收发器的位置分散且不共线；
[0033]
所述数据接收处理中心，配置为结合所述时间戳，计算各个信号收发器之间的间距，并利用空间测距定位原理对待定位点进行定位，进而获取换能器的位置。
[0034]
为了更清晰地对本发明辅助超声波检测仪换能器进行空间定位的装置进行说明，下面结合附图，对本发明一种实施例中各步骤进行展开详述。
[0035]
本发明主要用于对超声波检测仪的换能器进行定位，进而与病害勘测数据(病害勘测数据获取方法为：超声波检测仪通过换能器勘测获取超声在被测物体(石质文物)内的传播时间，再根据两个换能器之间的距离计算超声波在这段材料的传播速度，进而获取病害勘测数据。其中，本发明的装置中有两个换能器，一个超声波检测仪；两个换能器中的一个用于发射超声波，另一个用于接收超声波，数据传输到一个超声波检测仪进行分析，换能器、超声波检测仪在石质文物勘测中的具体功能及应用为现有常用技术，此处不再一一阐述)一一对应，获取石质文物表面的病害勘测结果。
[0036]
其中，本发明辅助超声波检测仪换能器进行空间定位的装置包括：至少四个信号收发器、一个数据接收处理中心；
[0037]
信号收发器，配置为接收信号和发射信号，并将发射信号和接收信号的时间戳发送至数据接收处理中心；其中，一个信号收发器固定于两个换能器的任意一个上，并将该信号收发器的位置作为待定位点，其余信号收发器的位置分散且不共线；
[0038]
在本实施例中，信号收发器优选设置为4个，如图1所示，其中，信号收发器接收信号和发射信号的信号类型包括脉冲无线电(uwb)信号、激光信号和超声波信号。
[0039]
数据接收处理中心，配置为结合所述时间戳，计算各个信号收发器之间的间距，进
而利用空间测距定位原理对待定位点进行定位。
[0040]
在本实施例中，计算各个信号收发器之间的间距，其方法为：
[0041]
根据所述时间戳，获取信号收发器之间信号传播所用时间；
[0042]
基于各信号类型在空气中传播的速度，结合信号收发器之间信号传播所用时间，计算各个信号收发器之间的间距。
[0043]
然后，判断信号收发器的数量，若信号收发器的数量等于4(即一个待定位点，三个其他信号收发器)，则直接通过预设的定位计算方法(即空间测距定位原理)，得到待定位点的坐标，即换能器的位置；
[0044]
若信号收发器的数量大于4，则除待定位点外，其余信号收发器进行三三结合，组合后，与待定位点通过预设的定位计算方法(即空间测距定位原理)进行定位计算，获取多组定位坐标；计算多组定位坐标的中心，作为最终的待定位点的坐标，即换能器的位置。在计算多组定位坐标的中心时，可以采用坐标平均值法、数据密度法、欧氏距离法等。
[0045]
其中，空间测距定位原理，如图2所示，其方法为：
[0046]
假设点s为待定位点，令点p1为空间坐标原点，点p2在x坐标轴上，p1、p2、p3分散且不共线(s、p1、p2、p3分别表示四个信号收发器的位置)，根据公式(1)-(5)获取定位坐标：
[0047][0048][0049][0050][0051][0052]
其中，s表示待定位点，(x，y，z)表示获取的定位坐标，p1、p2、p3表示除待定位点外的其他三三组合的信号收发器，α表示以p1为原点，以p
1-p2所在的轴为x轴，p2与p3之间的夹角，d
1-2
表示p1、p2之间的间距，d
1-3
表示p1、p3之间的间距，d
1-s
表示p1、s之间的间距，d
2-3
表示p2、p3之间的间距，d
2-s
表示p2、s之间的间距，d
3-s
表示p3、s之间的间距。
[0053]
最终，记录换能器的检测位置，进而与病害勘测数据一一对应，获取石质文物表面的病害勘测结果。
[0054]
需要说明的是，上述实施例提供的辅助超声波检测仪换能器进行空间定位的装置，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
[0055]
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模
块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0056]
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
[0057]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。