电阻R3的另一端与第一运算放大器D1的反相输入端及第一滑动变阻器R5的一端相连接，第 一运算放大器D1的同相输入端接地，第一运算放大器D1的输出端与第一滑动变阻器R5的另 一端及第四电阻R4的一端相连接，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器D2的反相输入端 及第二滑动变阻器R6的一端相连接，第二运算放大器D2的同相输入端接地，第二运算放大 器D2的输出端与数据采集卡10的输入端及第二滑动变阻器R6的另一端相连接。
[0031] 所述第一运算放大器D1及第二运算放大器D2为高输入阻抗的集成运算放大器 化082。信号放大电路9采用两级放大原理，总放大倍数可达到1000倍，超声波接收传感器8 将接收到的微弱超声回波信号交流禪合到第一运算放大器D1中进行一级放大，其最大放大 倍数为20倍，放大的信号再交流禪合到第二运算放大器D2中进行二级放大，其最大放大倍 数为50倍，第一运算放大器D1及第二运算放大器D2采用±9V双电源供电，抗干扰能力较强。
[0032] 本发明所述的超声波大量程测距方法包括W下步骤：
[0033] 微控制器3连续生成若干超声波脉冲序列，并将所述超声波脉冲序列转发至数据 采集卡10及驱动电路4中，数据采集卡10将所述超声波脉冲序列转发至上位机11中，所述超 声波脉冲序列经过驱动电路4放大为峰峰值为300V-600V的高压脉冲序列后输入到超声波 发射传感器5中，高压脉冲序列驱动超声波发射传感器5产生超声波，所述超声波经发射聚 能罩6发出传播出去，当所述超声波遇到被测物时，则经被测物反射回来，超声波接收传感 器8利用接收聚能罩7接收经被测物反射回来的超声波信号，所述被测物反射回来的超声波 信号经信号放大电路9放大后输入到数据采集卡10中，数据采集卡10将被测物反射回来的 超声波信号转发至上位机11中，上位机11计算接收到的超声波脉冲序列与被待测物反射回 来的超声波信号的时间差，并根据所述时间差计算超声波发射传感器5及超声波接收传感 器8与被测物的间距。
[0034] 参考图2(a)及图2(b)，微控制器3的工作电压为+3.3V，因此设计基于ASM1117-3.3 转换忍片的巧V转+3.3V电压转换电路，具体电路如图2(a)所示，通过图2(a)所述的转换电 路为微控制器3提供电能，如图2(b)所示，12V电源通过LM7809忍片和LM7909忍片进行稳压 后为第一运算放大器D1和第二运算放大器D2进行双电源供电，有利于提高电路的抗干扰能 力。驱动电路4的高压电源采用直流可调稳压电源，输出电压从0V-350V可调，输出电流2A， 满足驱动电路4的工作需要。
[0035] 参考图5,超声波发射传感器5的福射面与发射聚能罩6的喉部相连接，超声波接收 传感器8的福射面与接收聚能罩7的喉部相连接，接收聚能罩7及发射聚能罩6的截面形状为 指数形，其中，So为喉部截面积，Si为口部截面积，δ为衡量聚能罩截面变化快慢的婉艇系数， ro为喉部半径，η为口部半径。
[0036] 本发明中超声波发射传感器5发射的声波频率为22kHz，则接收聚能罩7及发射聚 能罩6的截止频率为220~244Hz范围之内。
[0037] 接收聚能罩7及发射聚能罩6的婉展系数δ在8.0~8.9之间，超声波接收传感器8及 超声波发射传感器5的福射面直径为0.101m，而接收聚能罩7及发射聚能罩6的喉部要与超 声传感器的福射面相连，因此本发明中接收聚能罩7及发射聚能罩6喉部半径为：r〇 = 0.0525m，喉部面积：& =难春=.〇..〇〇87λ?2。.对于截面为圆形的接收聚能罩7及发射聚能罩6,其 口部有效半径范围为:ri=0.219-0.化2m，则聚能罩口部面积：S,=畑/=0.150-0.200祝2。
【主权项】
1. 一种超声大量程测距系统，其特征在于，包括上位机（11)、数据采集卡（10)、微控制 器(3)、驱动电路(4)、超声波发射传感器(5)、信号放大电路(9)、超声波接收传感器(8)、发 射聚能罩(6)、接收聚能罩(7)、以及用于提供电能的系统电源模块(2); 微控制器(3)的输出端与驱动电路(4)的输入端及数据采集卡（10)的输入端相连接，驱 动电路(4)的输出端与超声波发射传感器(5)相连接，超声波接收传感器(8)的输出端与信 号放大电路(9)的输入端相连接，信号放大电路(9)的输出端与数据采集卡（10)的输入端相 连接，数据采集卡(1 〇)的输出端与上位机(11)相连接； 超声波发射传感器(5)的辐射面套接于发射聚能罩(6)的喉部，超声波接收传感器(8) 的辐射面套接于接收聚能罩(7)的喉部。2. 根据权利要求1所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，还包括温度修正模块 (1)，温度修正模块(1)与微控制器(3)相连接。3. 根据权利要求1所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，所述超声波发射传感器 (5)及超声波接收传感器(8)的中心频率均为22kHz。4. 根据权利要求1所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，所述驱动电路(4)包括 高压电源、第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、第三三极管(Q3)、第四三极管(Q4)、第五三极 管(Q5)、第六三极管(Q6)、第一电阻(R1)及第二电阻(R2); 微控制器(3)的输出端与第一三极管(Q1)的基极、第四三极管(Q4)的基极、第三三极管 (Q3)的基极及第六三极管(Q6)的基极相连接，第一电阻(R1)的一端、第二电阻(R2)的一端、 第二三极管（Q2)的集电极及第五三极管（Q5)的集电极均与高压电源相连接，第二三极管 (Q2)的基极与第一电阻(R1)的另一端及第一三极管(Q1)的集电极相连接，第一三极管(Q1) 的发射极接地，第五三极管(Q5)的基极与第二电阻(R2)的另一端及第四三极管(Q4)的集电 极相连接，第四三极管(Q4)的发射极接地，超声波发射传感器(5)与第二三极管(Q2)的发射 极、第五三极管(Q5)的发射极、第三三极管(Q3)的集电极及第六三极管(Q6)的集电极相连 接，第三三极管(Q3)的发射极及第六三极管(Q6)的发射极接地。5. 根据权利要求4所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，所述信号放大电路(9) 为两级集成运算放大电路。6. 根据权利要求5所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，所述信号放大电路(9) 包括第三电阻(R3)、第一运算放大器(D1)、第四电阻(R4)及第二运算放大器(D2)、第一滑动 变阻器(R5)及第二滑动变阻器(R6); 超声波接收传感器(8)的输出端与第三电阻(R3)的一端相连接，第三电阻(R3)的另一 端与第一运算放大器(D1)的反相输入端及第一滑动变阻器(R5)的一端相连接，第一运算放 大器(D1)的同相输入端接地，第一运算放大器(D1)的输出端与第一滑动变阻器(R5)的另一 端及第四电阻(R4)的一端相连接，第四电阻(R4)的另一端与第二运算放大器(D2)的反相输 入端及第二滑动变阻器(R6)的一端相连接，第二运算放大器(D2)的同相输入端接地，第二 运算放大器(D2)的输出端与数据采集卡（10)的输入端及第二滑动变阻器(R6)的另一端相 连接。7. -种超声波大量程测距方法，其特征在于，基于权利要求1所述的超声波大量程测距 系统，包括以下步骤： 微控制器(3)连续生成若干超声波脉冲序列，并将所述超声波脉冲序列转发至数据采 集卡（10)及驱动电路(4)中，数据采集卡（10)将所述超声波脉冲序列转发至上位机(11)中， 所述超声波脉冲序列经过驱动电路(4)放大为峰峰值为300V-600V的高压脉冲序列后输入 到超声波发射传感器(5)中，高压脉冲序列驱动超声波发射传感器(5)产生超声波，所述超 声波经发射聚能罩(6)发出传播出去，当所述超声波遇到被测物时，则经被测物反射回来， 超声波接收传感器(8)利用接收聚能罩(7)接收经被测物反射回来的超声波信号，所述被测 物反射回来的超声波信号经信号放大电路(9)放大后输入到数据采集卡（10)中，数据采集 卡（10)将被测物反射回来的超声波信号转发至上位机(11)中，上位机(11)计算接收到的超 声波脉冲序列与被待测物反射回来的超声波信号的时间差，并根据所述时间差计算超声波 发射传感器(5)及超声波接收传感器(8)与被测物的间距。
【专利摘要】本发明公开了一种超声波大量程测距系统及方法，包括上位机、数据采集卡、微控制器、驱动电路、超声波发射传感器、信号放大电路、超声波接收传感器、发射聚能罩、接收聚能罩、以及用于提供电能的系统电源模块。本发明能够实现大量程测距。
【IPC分类】G01S15/08, G01S7/521
【公开号】CN105445740
【申请号】CN201510954536
【发明人】寇雪芹, 谷立臣
【申请人】西安建筑科技大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月17日