一种无盲区超声波测距探头及测距方法与流程

本发明属于超声波测距领域，尤其涉及一种无盲区超声波测距探头及测距方法。

背景技术：

超声波遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，其特点是沿直线传播，具有良好的成束性，方向性好，在介质的分界面处会发生反射和折射现象，在进入介质后其振动幅度会因介质吸收而发生衰减。超声波的频率可以非常高，达到兆赫级。

超声波在同一介质中的传播速度基本恒定，因此利用测量超声波在该介质中经过一段距离所用的时间，可以实现非接触式测距。为了提高测距的精确度，必须精确测量超声波在介质中传播时所经过的时间(即踱越时间)。

在反射式超声波测距方案中，超声波发射器和超声波接收器是放置在一起的，当超声波发射器工作时，机械振动会通过电路板最先传到接收器，通过空气传播的超声波也会到达接收器，这些波称为串扰直通波(也称泄漏波)，当激励超声波发射器的电信号停止后，由于机械惯性的因素，超声波发射器振子依然会振动数个周期。在此期间，超声波接收器一直受到串扰直通波的影响，无法正确分辨超声波回波信号，只有串扰直通波的影响消失后，超声波接收器才能正确分辨超声波回波信号；串扰直通波影响的时间就是超声波测距的盲区，通常以这段时间超声波在介质中传播的距离来表示，现有的收发一体超声波换能器约有30cm的测距盲区。

降低测距盲区的的方法主要有两种。一是从换能器的结构入手，通过适当的结构设计，在考虑提高换能器灵敏度的同时，采取恰当措施抑制余振和附频振动，从而使换能器具有较高的灵敏度且有较小的发射波拖尾，但这种方法也同样面临着提高灵敏度和减小发射波拖尾的矛盾，作用有限。另一种方法是从信号放大电路入手，采用时变增益放大器，即根据回波信号的幅度随传播时间按指数规律衰减的特点，将接收放大器设计成增益随时间按指数规律增加的时变增益放大器，在一定范围内，使远近不同的回波信号都能均衡地放大到适当的幅度，避免了发射波拖尾信号的过放大，因此，在一定程度上减小了测量盲区。然而，分析可知，这种方法是靠控制增益来达到抑制测量盲区的。影响盲区大小的发射波拖尾信号能被抑制的前提条件是回波信号幅度必须大于相应位置拖尾信号的幅度，所能获得的盲区的最小极限是回波信号的幅度与相应位置发射拖尾信号幅度相等时对应的测量距离，显然实际盲区比这还要大。要想进一步减小测量盲区，时变增益抑制的方法已无能为力。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于反相叠加原理的无盲区超声波测距方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无盲区超声波测距探头，该探头包括处于同一平面上的超声波发射器T、第一超声波接收器R₁和第二超声波接收器R₂，第一超声波接收器R₁和第二超声波接收器R₂与超声波发射器T距离相同且处于超声波发射器T的同一侧；第二超声波接收器R₂由一个侧面开槽的容器覆盖，可以隔离回波，该容器开槽的方向正对着超声波发射器T。

进一步地，所述第一超声波接收器R₁和第二超声波接收器R₂能同时等幅地受到超声波发射器T串扰直通波的影响。

进一步地，采用反相叠加方法消除串扰直通波的影响。

进一步地，所述第一超声波接收器R₁和第二超声波接收器R₂接收的信号分别经过首级放大器放大后，共同输入次级放大器，次级放大器的输出信号依次经末级放大器、整流电路、滤波电路后，输出携带回波信号的电信号；所述首级放大器采用反相放大器，所述次级放大器采用增益可控的减法器电路，所述末级放大器采用谐振选频放大器。

一种无盲区超声波测距方法，该方法采用两个与超声波发射器处于同一平面且与超声波发射器距离相同的超声波接收器，其中一个超声波接收器由侧面开槽的容器覆盖，该容器开槽的方向正对超声波发射器；两个超声波接收器输出的信号反相叠加，消除超声波发射器串扰直通波的影响，得到回波信号，完成测距。

进一步地，两个超声波接收器接收的信号分别经过首级放大器放大后，共同输入次级放大器，次级放大器的输出信号依次经末级放大器、整流电路、滤波电路后，输出携带回波信号的电信号，该电信号输入电压比较器，当此回波信号的幅度大于设定的回波信号的幅度时，电压比较器的输出由低电平变为高电平，控制器测量从输出超声波载波信号到电压比较器输出脚的逻辑由低电平变为高电平之间所经历的时间Δt₂，根据公式得到超声波发射器T与障碍物之间的距离l。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种无盲区超声波测距方法，通过具有特定特征的安装结构和信号处理方法，完全消除了串扰直通波的影响，实现无盲区超声波测距，结构简单，易于实现，效果好。

附图说明

图1(a)是超声波发射器T和超声波接收器R₁、R₂的结构布局图。

图1(b)是R₂由一个侧面开槽的容器覆盖的结构示意图。

图2是通过本发明探头实现超声波测距的系统结构图。

图3是各功能模块输出的波形图。

图4是本发明无盲区超声波测距方法的电路原理图。

具体实施方式

下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

本发明提供的一种基于反相叠加原理的无盲区超声波测距探头，该探头包括一个超声波发射器T和两个超声波接收器R₁、R₂，两个超声波接收器R₁、R₂与超声波发射器T距离相同且处于超声波发射器的同一侧，超声波发射器T和超声波接收器R₁、R₂处于同一平面上，如图1(a)所示；第二超声波接收器R₂与第一超声波接收器R₁的不同之处在于，R₂由一个侧面开槽的容器覆盖，该容器开槽的方向正对着超声波发射器T，如图1(b)所示。

对于图1(b)所示的结构布局，超声波接收器R₁、R₂，能同时等幅地受到超声波发射器T串扰直通波的影响，但对于超声回波信号而言，由于R₂被一个侧面开槽的容器所覆盖，因此接收不到回波信号，而R₁却可以无阻碍地接收回波信号。因此只要将R₁、R₂输出的电信号进行反相叠加就可以完全消除串扰直通波的影响，而对于回波信号而言，由于R₂接收不到回波，反相叠加的结果就是只输出R₁接收到的电信号，串扰直通波的影响被消除。

图2描述了基于上述探头实现超声波测距的系统结构图，包括超声波发射器T，第一超声波接收器R₁，第二超声波接收器R₂，用于驱动超声波发射器T的功率驱动电路，用于放大超声波接收器信号的放大器1、放大器2，减法器，放大器3，精密整流电路，滤波电路，电压比较器，控制器等。

控制器输出超声波载波信号，其频率与超声波发射器T的工作频率相对应，通常为40kHz，此信号经功率驱动电路放大后接到超声波发射器T，由于超声波发射器T是机械振子，其振动幅度呈指数规律从0增加至稳幅，发射的超声波的声压幅度也呈指数规律增加，如图3(a)所示。当控制器停止输出超声波载波信号时，由于机械惯性的缘故，发射探头的振动幅度呈指数规律衰减至0，超声波的声压幅度也呈指数规律衰减至0，如图3(a)所示。当超声波发射器T开始振动时，除了向空间发射超声波，其机械振动还会沿着固体壳体表面呈扇形传播，由于超声波接收器R₁、R₂与超声波发射器T的距离相等且在同一传播扇形面上，因此会同时等幅地感受到这种振动，由于在固体壳体中传播的速度快于在空气中传播的速度，超声波接收器R₁、R₂会先收到固体壳体传播的振动，而后收到空气传播的振动，最终R₁、R₂输出的是两种同频波的叠加波形，如图3(b)、3(c)所示。

当空气中传播的超声波遇到障碍物时会产生反射，由于R₂被一个侧面开槽的容器所覆盖，因此R₂接收不到回波，只有R₁可以接收到回波，如图3(b)所示。

超声波接收器R₁、R₂输出的电信号极其微弱，须经过放大后才能加以利用，因此图2中的放大器1、放大器2先把R₁、R₂输出的电信号放大一定倍数后，才由减法器进行减运算，放大器3将减法器输出的信号作进一步放大，以尽量提高接收的灵敏度，整流和滤波电路将交流信号变换成直流脉动信号供电压比较器使用，当回波信号的幅度大于参考电压V_T时，电压比较器的输出就会由低电平变为高电平，如图3(f)所示。从控制器输出超声波载波信号开始，到电压比较器输出脚的逻辑由低电平变为高电平，之间经历了时间Δt₂，这段时间就是超声波从超声波发射器T传播到障碍物再返回到超声波发射器T所经历的时间，因此超声波发射器T与障碍物之间的距离其中：c是超声波在空气中的传播速度，单位是m/s，T是环境温度。

超声波接收器R₁、R₂与超声波发射器T之间的直线传播路径上要尽量保持相同的振动条件和空间条件，更加清晰的解释是，固定超声波接收器R₁、R₂和超声波发射器T的电路板在设计时要尽量避免在R₁与T之间、R₂与T之间放置器件、开槽，以免影响机械波沿电路板由T向R₁、R₂的振动特性，影响R₁、R₂接收由电路板传播的串扰直通波的一致性；在空间上，R₁与T之间、R₂与T之间也尽量不要放置障碍，以免影响R₁、R₂接收由空间传播的串扰直通波的一致性，尽量保证反相叠加后完全消除串扰直通波的影响。

在电路设计上，超声波接收器R₁、R₂的信号处理采用三级放大的电路结构，如图4所示。在放大器的元件选择上，低噪声放大器LF356成为首选，为了降低首级放大器中电阻元件的噪声影响，首级放大器采用反相放大，这样电阻R1_2、R1_5可以选择较小的阻值，从而有利于降低放大器的噪声。在R1_2、R1_5阻值的选择上，R1_2、R1_5宜尽量接近超声波接收器R₁、R₂的输出电阻，尽可能地做到功率匹配，提高声-电转换效率。平衡电阻R1_1、R1_4的阻值为R1_2、R1_3和R1_5、R1_6的并联电阻值，以期尽可能地减小输入失调电流对放大器增益的影响；首级放大器的电压增益由决定。

次级放大器由IC3实现，为一增益可控的减法器电路，放大器输出的信号为同相端输入的信号减去反相端的信号后再乘以电阻比末级放大器为谐振选频放大器，其目的是降低放大器的工作带宽，提高信噪比；电阻R1_11用于调节谐振回路T1_1、C1_4的Q值，调节本级放大器的工作带宽和电压增益。C1_5、D1、D2则构成倍压整流电路，R1_13、C1_6、R1_14、C1_7则构成两级低通滤波电路，滤波后输出的为回波信号的幅度，此信号接至电压比较器IC6的同相输入端，电压比较器IC6的反相输入端连接至R1_15、C1_8、R1_16构成的电压基准，该基准电压为当回波信号的幅度超过这个电压基准时，电压比较器IC6的输出就会从逻辑0变成逻辑1。

控制器选用AVR单片机ATMEGA8-16AU，其PD口的两个引脚PD6、PD7输出一串差动的方波，在逻辑驱动芯片74HC573的4路并联驱动下，推动超声波发射器T发出超声波。由于采用差动的驱动方式，因此加在超声波发射器T上的驱动电压幅度为电源电压的两倍。

本发明提供了一种无盲区超声波测距探头及测距方法，通过具有特定特征的安装结构和信号处理方法，完全消除了串扰直通波的影响，实现无盲区超声波测距，结构简单，易于实现，效果好。

本发明描述的一种无盲区超声波测距探头及测距方法，所述的细节仅仅为较佳的实施方式，但并非仅仅局限于此，其实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何基于本发明原理下所作的改变、修饰、组合、简化，均视为等效的置换方式，均包含在本发明的保护范围之内。