单体超声传感器探测系统的制作方法

本发明属于传感器领域，具体涉及一种单体超声传感器探测系统。

背景技术：

超声波技术具有成本低，速度快，非接触，无损等诸多优点。因此，超声波检测技术广泛应用于许多间接检测领域，如工程测量，机器人，工业自动化等。然而，超声波在多层介质中的传输与反射非常复杂，定量检测较为困难。同时，超声波在相同介质下以不同频率传输时，超声波的能量衰减特性也有较大差异。通常，随着超声波换能器频率，传输距离，反射面吸收率和辐射角度的增加，超声波的能量衰减迅速增加。

根据超声波发射单元和接收单元的结构，用于检测的超声换能器可以分为复合探头和单体探头。复合探头由一个发射换能器和一个或多个接收换能器/传感器组成，具有体积大、灵敏度低、测试电路简单等显著特点。单体探头只有一个同时兼具发射和接收两种功能的传感器，具有体积小、灵敏度高。测试电路复杂等显著特点。而正因为这些因素的限制，超声波检测技术在应用中有着许多困难。

作为非接触检测技术，超声波可用于距离测量。在超声波检测领域，测量距离与传输时间密切相关。在相同的距离下，传输时间可以通过介质密度，环境温度和压力的参数来实现。当参数假定为常数时，获取超声穿透介质的传输时间是非常重要的。因此，测试电路系统的时间精度和响应速度对超声波检测应用具有重要的地位。

对比文件：一种超声波测距系统及控制其测距的方法(201410124601.3)，采用两个超声换能器作为发射器和接收器，属于复合式探头，因此该探测系统两个探头频率的一致性难以保证，从而增大了测量误差；且该专利所述回波接收端口若一段时间内没有接收到回波信号，则需要重新发射超声波，使得测试系统的即时性低。设计了一套控制电路系统，该系统与单体探头的超声波变压器相匹配，可以实现对单体探头发射与接收超声波的精确控制，从而可以准确测量超声波的传输时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于准确测量超声波的传输时间，提出一种单体超声传感器探测系统，实现对单体探头发射与接收超声波的精确控制，解决测量误差大的技术问题。

本发明采用如下技术方案，一种单体超声传感器探测系统，本发明采用一只超声探头作为测试探头，通过电路系统实现超声传感器对超声波的发送与接收，并且采用另一只超声探头作为参照探头，利用参照法对波形数据分析，单体超声传感器探测系统包括两只超声探头、电源、信号发生器、数字示波器和计算机，其中：

超声探头由电路系统以及超声传感器封装而成，电路系统用于控制超声传感器发送与接收超声波并得出回波信号与触发信号的时间间隔；

超声探头一作为参照探头，用于得出当前测试环境下的超声波标准声速；

超声探头二作为测试探头，用于对待测距离进行测试；

信号发生器与超声探头相连，用于产生触发信号；

数字示波器分别与超声探头一、超声探头二和信号发生器相连，用于显示被超声探头捕获的回波信号和触发信号的波形；

计算机与数字示波器连接，实现数字示波器与电脑之间的数据传输，数据经分析计算后得出测试距离。

优选地，信号发生器产生的触发信号为负脉冲信号。

优选地，电路系统包括波形调整单元、信号发生单元、超时复位与自锁单元、回波捕获与放大单元以及输入输出电平转换单元，信号发生器产生一个负脉冲触发信号，自输入输出电平转换单元的测试触发端口输入，输出到波形调整单元，经波形调整单元将脉冲信号反相之后输入超时复位与自锁单元，由超时复位与自锁单元的单次触发与回波触发控制端口输出处理后的触发信号，位于输入输出电平转换单元的回波端口接收处理后的触发信号并开始计时，作为计时信号；同时，信号发生器产生的触发信号由波形调整单元强化，输入到信号发生单元，进而驱动发送接收一体超声换能器产生超声波，返回的超声波被回波捕获与放大单元捕获并放大，放大后的信号输入到超时复位与自锁单元，单次触发与回波触发控制端口输出回波信号，输入输出电平转换单元接收回波信号并停止定时，输入输出电平转换单元与数字示波器相连，将正脉冲信号显示在数字示波器上。

优选地，信号发生器发出负脉冲触发信号，同时输入数字示波器通道一、超声探头一和超声探头二，输入数字示波器通道一的信号作为对照信号，输入超声探头一和超声探头二的信号经过电路系统处理后输入数字示波器通道二和数字示波器通道三，作为计时信号。

优选地，在波形调整单元中，由信号发生器产生的负脉冲触发信号自测试触发电路输出，输入到信号分配电路，在信号分配电路中利用电压比较器将负脉冲触发信号反相后得到正脉冲信号作为起始的计时信号输入至超时复位与自锁单元的单次触发信号输入端中；同时，从信号分配电路输出的正脉冲信号经过波形调整电路中的施密特触发器的翻转调整后，自信号发生使能端输入信号发生单元；正脉冲信号经波形调整电路中的施密特触发器翻转并延迟后得到单次触发锁定信号，输入到超时复位与自锁单元的单次触发锁定电路中；波形调整单元包括超时信号衰减模块，如果触发信号超时，超时信号衰减模块对超时信号进行衰减，以防止超时的触发信号对电路中信号传输的影响。

优选地，在信号发生单元和回波捕获与放大单元中，信号发生使能端接收到正脉冲信号后经过震荡频率发生电路产生驱动信号输至超声换能器驱动电路，由超声换能器驱动电路驱动变压器，变压器将驱动信号传递至发送接收一体超声换能器，使发送接收一体超声换能器工作发射超声波；被介质反射回来的超声波信号被回波捕获与放大单元中的回波捕获电路捕获，捕获的回波信号由回波放大电路进行处理，然后由检波电路对回波信号检出，得到放大及检波后的回波信号。

优选地，信号发生单元中的震荡频率发生电路采用555触发器，变压器与电容和电阻进行阻抗匹配得到谐振频率fu，fu即为超声传感器的中心频率以及超声传感器产生的超声波频率。

优选地，采用超声传感器的频率范围为40～200KHz，保证测试精度。

优选地，回波捕获电路包括两个二极管组成的钳位电路，与回波信号产生谐振，实现对回波信号的捕获。

优选地，超时复位与自锁单元中包括回波信号匹配电路，回波信号匹配电路由两个电压比较器U1和U2组成，电压比较器U2的输出端口为单次触发与回波触发控制端口，连接输入输出电平转换单元；在波形调整单元中被反相的触发信号自单次触发信号输入端输入到电压比较器U2的同相输入端，通过电压比较器U2后输入到输入输出电平转换单元，在数字示波器上显示计时信号；触发信号通过后，波形调整单元中被延迟得到的单次触发锁定信号经单次触发锁定电路衰减后输入电压比较器U2的反相输入端，实现对电压比较器U2信号传输的锁定；电压比较器U1的同相输入端为回波信号输入端口经过放大检波处理的回波信号自超时复位与自锁单元的回波信号输入端口输入电压比较器U1的同相输入端，从波形调整单元输出的单次触发锁定信号经过单次触发锁定电路衰减处理后输入电压比较器U1的反相输入端，两个信号强度按照匹配原理进行匹配，满足匹配条件的回波信号，即回波信号幅值大于衰减处理后的单次触发锁定信号的幅值，回波信号自电压比较器U1输出，同时输入电压比较器U2的同相输入端，再次与衰减处理后的单次触发锁定信号匹配，满足匹配条件的回波信号通过电压比较器U2输出至输入输出电平转换单元。

优选地，衰减处理后的单次触发锁定信号的高电平维持时间为盲区时间，对应于检测盲区的长度，探测盲区的长度Sb计算公式如下：

Sb＝λ(Ni+Nr)

激励周期Ti满足以下条件：Ti≥NiTu，

其中激励周期Ti为触发负脉冲信号的周期，Ni为激励周期个数，Nr为余振周期个数，Tu为超声波的工作周期，λ为超声波波长，计算公式如下：

λ＝v/fu

其中fu为超声传感器的中心频率以及传感器产生的超声波频率，v为超声波的理论声速，其计算公式如下：

其中T为测试环境的温度。

优选地，测试距离的计算方法为：通过参考探头的数据计算出两个正脉冲的标准时间间隔，根据标准距离得出标准声速，通过测试探头的数据计算出两个正脉冲的时间间隔，结合标准声速计算出测试距离。

优选地，计算时间间隔是利用二分法找出信号上升沿所对应的时刻，得到两个脉冲信号之间的时间间隔，具体为：设置步长为P个点，判断第P个点的电压幅值与第一个点的幅值之比是否大于设定值，若大于设定值则判断在这P个点中有电压值突变的点，再采用二分法寻找突变点，若小于或等于设定值则采用二分法继续寻找幅值突变的点所在的区间；判断某点是否为幅值突变点是通过判断某点与前一点连线的一阶导数值，若一阶导数值大于零，则该点为幅值突变点，若一阶导数值不满足判断条件，则继续采用二分法寻找突变点；找到第一个突变点后，以第一个突变点为起始点，找到正脉冲信号的下降沿，即寻找幅值突变点，判断判断某点与前一点连线的一阶导数值小于零则为下降沿突变点；找到下降沿突变点后，以下降沿突变点为起点，继续寻找下一个上升沿突变点；找到两个上升沿突变点后，两个上升沿突变点所在的时刻相减得到两个正脉冲上升沿之间的时间间隔。

优选地，P为数字示波器存储长度的5～10％。

发明所达到的有益效果：本发明是一种单体超声传感器探测系统，利用电路系统实现对单体超声传感器发射与接收超声波的精确控制，能够准确测量超声波的传输时间，解决测量误差大的技术问题；利用参照法对波形数据分析，可降低环境因素带来的测量误差，具有灵敏度高、测量精准等优点。

附图说明

图1是本发明的单体超声传感器的工作原理图；

图2是本发明的参照法测试系统原理图；

图3是本发明的电路系统功能框图；

图4是本发明的数字示波器上显示的测试波形；

图5是本发明的输入输出电平转换单元连接示意图；

图6是本发明的波形调整单元示意图；

图7是本发明的信号发生单元和回波捕获与放大单元示意图；

图8是本发明的信号发生单元和回波捕获与放大单元中回波捕获电路原理图；

图9是本发明的变压器阻抗匹配原理图(a)换能器的等效电路图；(b)阻抗匹配示意图；

图10是本发明的回波信号强度匹配示意图；

图11是本发明的回波信号匹配电路原理图；

图12是本发明的超时复位与自锁单元电路原理图；

图13是本发明的数据分析计算流程图；

图14是本发明的时间间隔算法流程图。

具体实施方式

下面根据附图并结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

图1是本发明单体超声传感器的工作原理图，单体超声传感器探测系统包括两只超声探头、电源、信号发生器、数字示波器和计算机，其中：

超声探头由电路系统以及超声传感器封装而成，其中电路系统用于控制超声传感器发送与接收超声波并得出回波信号与触发信号的时间间隔；

超声探头一作为参照探头，用于得出当前测试环境下的超声波标准声速；

超声探头二作为测试探头，用于对待测距离进行测试；

信号发生器与超声探头相连，用于产生触发信号；

数字示波器分别与超声探头一、超声探头二和信号发生器相连，用于显示被超声探头捕获的回波信号和触发信号的波形；

电源中的直流电源提供10～30V的直流电压，为超声传感器供电；

计算机与数字示波器连接，通过软件OpenChoice Desktop，实现数字示波器与电脑之间的数据传输。通过Matlab软件编写程序，将数字示波器上的波形数据导入程序分析计算，得到两个正脉冲之间的时间间隔，计算出测试距离。

图2是本发明的参照法测试系统原理图，超声波在空气中的传输速度与传输介质、环境温度、湿度、压力等参数有关，因此，若是以传统的速度计算公式计算超声波声速的话，对于距离测试的精确程度有着较大的影响。本发明采用参照法，在一个标准尺度上使用一只传感器构建参考值，然后将测试的数据与参考值进行对比，得到更为准确的测量值。首先由一只超声传感器对标准长度ls进行测试，得到标准的测试时间ts，然后在待测距离l上进行测试，得到测试时间t，再根据下述公式得到待测距离l。

作为一种较佳的实施例，图3是本发明的电路系统功能框图，测量电路包括波形调整单元、信号发生单元、超时复位与自锁单元、回波捕获与放大单元以及输入输出电平转换单元，信号发生器产生一个负脉冲触发信号，自输入输出电平转换单元的测试触发端口输入，输出到波形调整单元，经波形调整单元将脉冲信号反相之后输入超时复位与自锁单元，由超时复位与自锁单元的单次触发与回波触发控制端口输出处理后的触发信号，位于输入输出电平转换单元的回波端口接收处理后的触发信号并开始计时，作为计时信号；同时，信号发生器产生的触发信号由波形调整单元强化，输入到信号发生单元，进而驱动发送接收一体超声换能器产生超声波，返回的超声波被回波捕获与放大单元捕获并放大，放大后的信号输入到超时复位与自锁单元，单次触发与回波触发控制端口输出回波信号，输入输出电平转换单元接收回波信号并停止定时，输入输出电平转换单元与数字示波器相连，将正脉冲信号显示在数字示波器上。

作为一种较佳的实施例，图4是本发明的数字示波器上显示的测试波形，图5是本发明的输入输出电平转换单元连接示意图，信号发生器发出负脉冲触发信号，同时输入数字示波器通道一、超声探头一和超声探头二，输入数字示波器通道一的信号作为对照信号，输入超声探头的触发信号经过电路系统处理后输入数字示波器作为计时信号，测试时回波信号经过电路系统处理后输入数字示波器作为计时停止的信号。。

作为一种较佳的实施例，图6是本发明的波形调整单元示意图，在波形调整单元中，由信号发生器产生的负脉冲触发信号自测试触发电路输出，输入到信号分配电路，在信号分配电路中利用电压比较器将负脉冲触发信号反相后得到正脉冲信号作为起始的计时信号输入至超时复位与自锁单元的单次触发信号输入端中；同时，从信号分配电路输出的正脉冲信号经过波形调整电路中的施密特触发器的翻转调整后，自信号发生使能端输入信号发生单元；正脉冲信号经波形调整电路中的施密特触发器翻转并延迟后得到单次触发锁定信号，输入到超时复位与自锁单元的单次触发锁定电路中；波形调整单元包括超时信号衰减模块，如果触发信号超时，超时信号衰减模块对超时信号进行衰减，以防止超时的触发信号对电路中信号传输的影响。

作为一种较佳的实施例，图7是本发明的信号发生单元和回波放大与捕获单元示意图，在信号发生单元和回波捕获与放大单元中，信号发生使能端接收到正脉冲信号后经过震荡频率发生电路产生驱动信号输至超声换能器驱动电路，由超声换能器驱动电路驱动变压器，变压器将驱动信号传递至发送接收一体超声换能器，使发送接收一体超声换能器工作发射超声波；被介质反射回来的超声波信号被回波捕获与放大单元中的回波捕获电路捕获，捕获的回波信号由回波放大电路进行处理，然后由检波电路对回波信号检出，得到放大及检波后的回波信号。经过放大及检波后的回波信号与衰减后的单次触发锁定信号通过电压比较器进行幅值比较，回波信号幅值大于衰减后的单次触发锁定信号的幅值时，回波信号输出至输入输出电路，从而在数字示波器上显示回波的正脉冲信号。

作为一种较佳的实施例，图8是本发明的信号发生单元和回波捕获与放大单元电路原理图，信号发生单元中的震荡频率发生电路采用555触发器，变压器与电容C1和电阻R1进行阻抗匹配。用于发射超声波的换能器的发射锥角为小于10℃，可采取频率范围在40～200KHz的超声换能器以保证测试的精准度。

作为一种较佳的实施例，回波捕获电路主要由两个二极管组成的钳位电路所组成，可以与回波信号产生谐振，从而实现对回波信号的捕获。捕获的回波信号由回波放大电路进行处理。放大电路可采取低功耗的电流放大器SA614A对回波信号放大，然后由检波电路对回波信号检出。

图9是本发明的变压器阻抗匹配原理图(a)换能器的等效电路图；(b)阻抗匹配示意图，图中Cp是静态并联电容器，Ld、Cd、Rd分别表示动态等效电感、动态等效电容和动态损耗电阻。当电感Ld和电容Cd谐振时，Ld、Cd、Rd组成的串联电路可等效为电阻Rp，此时电感Ld和电容Cd谐振频率fu计算公式如下：

同时fu亦为超声换能器的中心频率以及换能器产生的超声波频率。

当变压器的次级线圈Lm与静态并联电容Cp谐振时，谐振频率计算公式如下：

当系统阻抗匹配时，f与fu相等，因此，变压器的次级线圈计算公式如下：

作为一种较佳的实施例，图10是本发明的回波信号强度匹配示意图，其中VE为回波信号的强度，超声波的信号强度随着传输距离的增加而呈指数衰减。VR为参照电平信号强度，由单次触发锁定信号经过单次触发锁定电路衰减处理得到，其信号强度应比回波信号强度小5～10％，以保证回波信号能被检出。图11是本发明的回波信号匹配电路原理图，图12是本发明的超时复位与自锁单元电路原理图，超时复位与自锁单元中包括回波信号匹配电路，回波信号匹配电路由两个电压比较器U1和U2组成，电压比较器U2的输出端口为单次触发与回波触发控制端口，连接输入输出电平转换单元；其中端口CR输入的是单次触发锁定信号，该锁定信号通过单次触发锁定电路进行信号衰减处理，单次触发锁定电路由电阻R4以及R5与电容C1组成的RC充放电电路组成，使得输入电压比较器U1和U2反相输入端的信号幅度如同图10中VR所示的衰减幅度；端口C为单次触发信号输入端，在波形调整单元中被反相的触发信号输入到电压比较器U2的同相输入端，通过电压比较器U2后输入到输入输出电平转换单元，在数字示波器上显示计时信号；触发信号通过后，波形调整单元中被延迟得到的单次触发锁定信号经过单次触发锁定电路衰减处理后输入电压比较器U2的反相输入端，实现对电压比较器U2信号传输的锁定，防止二次触发；经过放大检波处理的回波信号自超时复位与自锁的回波信号输入端口输入电压比较器U1的同相输入端，从波形调整单元输出的单次触发锁定信号经过单次触发锁定电路的信号衰减处理后输入电压比较器U1的反相输入端，两个信号强度按照图10匹配原理进行匹配，满足匹配条件的回波信号，即回波信号幅值大于衰减处理后单次触发锁定信号的幅值时，回波信号自电压比较器U1输出，同时输入电压比较器U2的同相输入端，再次与衰减处理后的单次触发锁定信号匹配，满足条件的回波信号通过电压比较器U2输出至输入输出单元。

作为一种较佳的实施例，衰减处理后的单次触发锁定信号的高电平维持时间为盲区时间，对应于检测盲区的长度，盲区时间由激励周期的长度、换能器的材质和工作超声波的频率决定。探测盲区的长度Sb计算公式如下：

Sb＝λ(Ni+Nr)

激励周期Ti满足以下条件：Ti≥NiTu，

其中激励周期Ti为触发负脉冲信号的周期，Ni为激励周期个数，Nr为余振周期个数，Tu为超声波的工作周期，λ为超声波波长，计算公式如下：

λ＝v/fu

其中fu为超声传感器的中心频率以及传感器产生的超声波频率，v为超声波的理论声速，其计算公式如下：

其中T为测试环境的温度。

作为一种较佳的实施例，利用泰克公司的OpenChoice Desktop软件实现数字示波器与电脑之间的数据传输，然后将采集的数据导入Matlab软件，通过相关的程序对数据分析计算，从而得到测试距离。数据分析计算流程图如图13所示，测试距离的计算方法为：通过参考探头的数据计算出两个正脉冲的标准时间间隔，根据标准距离得出标准声速，通过测试探头的数据计算出两个正脉冲的时间间隔，结合标准声速计算出测试距离。

数字示波器通道2显示的波形数据是由超声探头1得到的，将数据导入Matlab软件，经过程序运算得到超声波在当前测试环境下的声速。数字示波器通道3显示的是由超声探头2得到的，将数据导入Matlab软件，然后计算出两个正脉冲之间的时间间隔，再结合声速即可得到测试距离。

作为一种较佳的实施例，图14是本发明的时间间隔算法流程图，计算时间间隔是利用二分法找出信号上升沿所对应的时刻，得到两个脉冲信号之间的时间间隔，具体为：设置步长为P个点，判断第P个点的电压幅值与第一个点的幅值之比是否大于设定值，若大于设定值则判断在这P个点中有电压值突变的点，再采用二分法寻找突变点，若小于或等于设定值则采用二分法继续寻找幅值突变的点所在的区间；判断某点是否为幅值突变点是通过判断某点与前一点连线的一阶导数值，若一阶导数值大于零，则该点为幅值突变点，若一阶导数值不满足判断条件，则继续采用二分法寻找突变点；找到第一个突变点后，以第一个突变点为起始点，找到正脉冲信号的下降沿，即寻找幅值突变点，判断判断某点与前一点连线的一阶导数值小于零则为下降沿突变点；找到下降沿突变点后，以下降沿突变点为起点，继续寻找下一个上升沿突变点；找到两个上升沿突变点后，两个上升沿突变点所在的时刻相减得到两个正脉冲上升沿之间的时间间隔。其中P取数字示波器存储长度的5～10％。