遠(yuǎn)距離超聲測距傳感器激勵脈沖研究*

琚曉濤， 谷立臣， 閆小樂

(1.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,陜西 西安 710055；

2.西安科技大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710055)

0 引 言

超聲測距技術(shù)作為一種以超聲波為信息載體的非接觸式檢測手段，與紅外傳感技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)等相比，可以全天候工作，具有成本低、可靠性好、不易受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾影響等優(yōu)點(diǎn)[1]。超聲測距技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場機(jī)器人導(dǎo)航、車輛安全避障系統(tǒng)、物位測量等工業(yè)領(lǐng)域[2]。然而，目前超聲波空氣測距技術(shù)作用距離較短(一般小于15 m)，使其應(yīng)用范圍受到了極大的制約[3]。遠(yuǎn)距離超聲波測距技術(shù)不僅依賴于高性能的超聲傳感器，而且與超聲波激勵脈沖有關(guān)。超聲發(fā)射電路設(shè)計和超聲波激勵脈沖選擇均直接影響到超聲波發(fā)射功率。

本文通過對典型超聲傳感器激勵脈沖的功率譜分析，設(shè)計了雙極性發(fā)射電路，增大了超聲傳感器的發(fā)射功率，提高了超聲波測距的探測距離。

1 超聲傳感器工作機(jī)理

遠(yuǎn)距離超聲測距系統(tǒng)的核心部件是超聲傳感器，其基本原理是通過測量超聲發(fā)射脈沖和回波脈沖的時間間隔Δt實(shí)現(xiàn)的。障礙物與傳感器之間的距離由式(1)可得

d=c·Δt/2.

(1)

其中，波速c通過測量環(huán)境溫度間接獲得[4]。

在選擇超聲傳感器時，應(yīng)綜合考慮諧振頻率、指向性、工作電壓等技術(shù)指標(biāo)。本文選用的為壓電陶瓷防水型超聲傳感器，它被廣泛應(yīng)用于介質(zhì)為空氣的測距場合。

壓電陶瓷超聲傳感器通常包括一個電能儲存元件和一個機(jī)械振動系統(tǒng)[5]。當(dāng)超聲傳感器處于發(fā)射狀態(tài)時，激勵信號將引起電能儲存元件中電場的變化，通過逆壓電效應(yīng)對傳感器的機(jī)械振動系統(tǒng)產(chǎn)生一個推動力，從而向空氣中輻射超聲波。從能量的角度來考慮，發(fā)射傳感器將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換成聲能

Pa=Peηmeηma.

(2)

其中，Pa為發(fā)射聲功率，Pe為激勵脈沖電功率，ηme為機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，ηma為機(jī)聲轉(zhuǎn)換效率。

2 超聲激勵脈沖功率譜分析

由超聲傳感器的工作原理分析可知，超聲發(fā)射功率與超聲傳感器激勵脈沖電功率、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率、機(jī)聲轉(zhuǎn)換效率有關(guān)。針對某一確定的超聲傳感器來講，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率、機(jī)聲轉(zhuǎn)換效率是一定的，這里主要探討超聲發(fā)射功率與典型激勵脈沖之間的關(guān)系。

對矩形波、三角波、正弦波3種典型激勵脈沖進(jìn)行功率譜分析，研究其頻率分布情況。圖1中的(a),(b),(c)分別用來模擬脈寬為400 μs、頻率為22 kHz的矩形波、正弦波、三角波3種雙極性高壓激勵脈沖。圖2(a)體現(xiàn)了矩形波超聲激勵脈沖功率譜圖，雖然矩形波脈沖含有多次諧波，但主要能量集中在22 kHz，且頻率成份較大;圖2(b)體現(xiàn)了正弦波超聲激勵脈沖功率譜圖，正弦波僅含有22 kHz單一頻率;圖2(c)體現(xiàn)了三角波超聲激勵脈沖功率譜圖，其中有少量諧波。從圖中可以直觀地看出:雖然3種類型的脈沖都含有基頻成份，但在22 kHz頻率點(diǎn)上矩形波功率最大。從發(fā)射功率上來講，矩形波脈沖發(fā)射效果最好，正弦波脈沖次之，三角波脈沖最差。

圖1 超聲激勵脈沖

圖2 超聲波激勵脈沖功率譜圖

3 雙極性超聲發(fā)射電路設(shè)計

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離空氣超聲波測距，不僅僅需要使超聲傳感器具有較大的發(fā)射功率，還需要易于實(shí)現(xiàn)超聲波形的控制，例如：對脈沖的幅值、個數(shù)、頻率和占空比等參數(shù)的調(diào)整。

超聲傳感器的發(fā)射功率一般隨著工作頻率而變化，在與其機(jī)械諧振頻率相等時，傳感器機(jī)械振動系統(tǒng)的逆壓電效應(yīng)最明顯，可以獲得最大的發(fā)射聲功率[6]。矩形脈沖激勵信號作為一個與傳感器壓電振子諧振頻率相等的交流信號，其實(shí)現(xiàn)方式通常有振蕩—放大型和逆變型2種:第一種方式利用振蕩電路產(chǎn)生小功率激勵信號，再經(jīng)脈沖變壓器升壓后驅(qū)動傳感器工作。這種方式能夠獲得高壓激勵信號，具有易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)，但脈沖不易進(jìn)行波形參數(shù)的控制，電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜[7,8]。第二種方式利用逆變原理將經(jīng)整流的直流電變?yōu)槌曨l交流電[9]。這種方式將直流電源功能與控制變換功能分開，具有易于實(shí)現(xiàn)超聲波形參數(shù)控制的優(yōu)點(diǎn)。

基于以上考慮，本文利用雙極性PWM控制逆變原理，將直流電源經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換后，通過“H”型控制電路輸出交流激勵信號，其電路原理圖如圖3所示。其工作原理是：由微控制器輸出的超聲脈沖控制信號，經(jīng)過高速光電耦合器，進(jìn)入“H”型變換電路的左、右端口。橋式變換電路由6只高速、大功率三極管組成，均工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)。通過T1,T4和T2,T3 配對的工作實(shí)現(xiàn)超聲傳感器兩端的交流驅(qū)動。該電路不僅可以容易控制超聲發(fā)射脈沖參數(shù)，另外,由于其峰峰電壓值比常規(guī)驅(qū)動電路翻了1倍，還有效降低了驅(qū)動電路的直流電壓，具有較大的峰值電流，提高了帶載能力。

圖3 雙極性超聲波發(fā)射電路圖

4 超聲波激勵脈沖實(shí)驗研究

4.1 典型超聲激勵脈沖實(shí)驗

為了驗證不同激勵脈沖對超聲發(fā)射功率的影響，將接收傳感器和發(fā)射傳感器間距1 m對射方式放置，將函數(shù)信號發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)為10 V，函數(shù)信號發(fā)生器頻率調(diào)節(jié)為22 kHz，激勵源信號選擇三角波、正弦波、矩形波，測量回波信號。3種激勵信號下的回波幅值比較如表1所示。

表1 超聲回波峰峰值

由表2可見，矩形波激勵脈沖回波峰峰值最大，正弦波激勵脈沖回波峰峰值次之，三角波激勵脈沖峰峰值最小，與前面的功率譜仿真分析結(jié)果是一致的。矩形激勵脈沖的發(fā)射功率最大，向空氣中輻射的能量也就越大，有利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離空氣超聲波測距。

4.2 超聲波激勵脈沖電壓實(shí)驗

雙極性發(fā)射電路中所需的AC/DC模塊輸出的激勵電壓決定著超聲傳感器的發(fā)射功率。激勵電壓過大，會增加AC/DC模塊制作成本和難度，超過耐壓值后會對超聲傳感器內(nèi)部電路和機(jī)械部分造成損壞。為確定激勵電壓，將超聲發(fā)射傳感器與接收傳感器正對1 m放置，利用設(shè)計的雙極性發(fā)射電路不斷調(diào)整激勵電壓。如圖4所示，根據(jù)激勵電壓與回波信號強(qiáng)度實(shí)驗曲線，可以推斷當(dāng)超聲傳感器激勵電壓為320V時，回波幅值達(dá)到最大值的95 %，能夠發(fā)射大功率超聲波。

圖4 超聲激勵電壓與回波強(qiáng)度曲線

4.3 超聲激勵脈沖個數(shù)實(shí)驗

超聲傳感器激勵信號是以脈沖序列的方式來發(fā)射的，每個脈沖序列中包含一定數(shù)量的矩形脈沖。脈沖個數(shù)太少無法產(chǎn)生足夠的能量激勵超聲傳感器正常工作；而脈沖數(shù)量越多，盲區(qū)就越大[10]。為確定合適的激勵脈沖個數(shù)，將發(fā)射傳感器與接收傳感器正對放置，距離分別為1,5,7 m，測量超聲回波。超聲發(fā)射傳感器激勵信號為矩形脈沖信號，幅值為320 V，環(huán)境溫度為16 ℃。

圖5給出了超聲回波最大振幅與發(fā)射傳感器激勵脈沖個數(shù)關(guān)系的實(shí)驗曲線。從圖5可以看出:當(dāng)超聲傳感器激勵脈沖為10個時，其幅值已達(dá)到最大幅值的90 %左右。同時，在滿足較大發(fā)射功率的前提下，超聲脈沖個數(shù)選為10個時盲區(qū)最小。

圖5 超聲回波最大振幅與脈沖個數(shù)關(guān)系曲線

4.4 超聲波脈沖測距實(shí)驗

超聲波激勵信號和回波信號分別經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過數(shù)據(jù)總線傳輸并記錄在計算機(jī)上。數(shù)據(jù)采樣頻率為200 kHz，接收端放大器的電壓增益為60 dB。系統(tǒng)使用LabVIEW軟件完成超聲波激勵控制信號和超聲回波的同步采集、存儲以及分析等功能。實(shí)驗時，發(fā)射傳感器與接收傳感器同一水平放置，正對平板障礙物，其尺寸為120.0 cm(寬)×84.5 cm(高)×2.2 cm(厚)，實(shí)驗環(huán)境溫度為29 ℃，測距實(shí)驗結(jié)果如表2所示。

表2 超聲波測距實(shí)驗結(jié)果

5 結(jié) 論

1)通過對典型激勵脈沖的功率譜分析可知，矩形波脈沖激勵超聲發(fā)射傳感器發(fā)射功率最大。

2)針對本文選擇的超聲傳感器，當(dāng)超聲傳感器被10個峰峰值為640 V的矩形波脈沖激勵時，具有較大的發(fā)射功率，為合理選擇遠(yuǎn)距離超聲測距激勵脈沖提供了依據(jù)。

3)雙極性超聲發(fā)射電路長時間工作，所用元器件均無過熱現(xiàn)象。激勵出的大功率高壓超聲脈沖波形易于控制，能夠穩(wěn)定、可靠地檢測25 m處的障礙物。

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