琚曉濤， 谷立臣， 閆小樂(lè)

(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(cè)距技術(shù)作為一種以超聲波為信息載體的非接觸式檢測(cè)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(cè)距技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人導(dǎo)航、車(chē)輛安全避障系統(tǒng)、物位測(cè)量等工業(yè)領(lǐng)域[2]。然而，目前超聲波空氣測(cè)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(cè)距技術(shù)不僅依賴(lài)于高性能的超聲傳感器，而且與超聲波激勵(lì)脈沖有關(guān)。超聲發(fā)射電路設(shè)計(jì)和超聲波激勵(lì)脈沖選擇均直接影響到超聲波發(fā)射功率。

本文通過(guò)對(duì)典型超聲傳感器激勵(lì)脈沖的功率譜分析，設(shè)計(jì)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(cè)距的探測(cè)距離。

1 超聲傳感器工作機(jī)理

遠(yuǎn)距離超聲測(cè)距系統(tǒng)的核心部件是超聲傳感器，其基本原理是通過(guò)測(cè)量超聲發(fā)射脈沖和回波脈沖的時(shí)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(guò)測(cè)量環(huán)境溫度間接獲得[4]。

在選擇超聲傳感器時(shí)，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(cè)距場(chǎng)合。

壓電陶瓷超聲傳感器通常包括一個(gè)電能儲(chǔ)存元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)[5]。當(dāng)超聲傳感器處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，激勵(lì)信號(hào)將引起電能儲(chǔ)存元件中電場(chǎng)的變化，通過(guò)逆壓電效應(yīng)對(duì)傳感器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)力，從而向空氣中輻射超聲波。從能量的角度來(lái)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(lì)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(lì)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(lì)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(duì)某一確定的超聲傳感器來(lái)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(lì)脈沖之間的關(guān)系。

對(duì)矩形波、三角波、正弦波3種典型激勵(lì)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(lái)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(lì)脈沖。圖2(a)體現(xiàn)了矩形波超聲激勵(lì)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(lì)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(lì)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(lèi)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(lái)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(lì)脈沖

圖2 超聲波激勵(lì)脈沖功率譜圖

3 雙極性超聲發(fā)射電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離空氣超聲波測(cè)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(duì)脈沖的幅值、個(gè)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(shí)，傳感器機(jī)械振動(dòng)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(lì)信號(hào)作為一個(gè)與傳感器壓電振子諧振頻率相等的交流信號(hào)，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(lì)信號(hào)，再經(jīng)脈沖變壓器升壓后驅(qū)動(dòng)傳感器工作。這種方式能夠獲得高壓激勵(lì)信號(hào)，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?cè)韺⒔?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(kāi)，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?cè)?，將直流電源?jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換后，通過(guò)“H”型控制電路輸出交流激勵(lì)信號(hào)，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(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)T1,T4和T2,T3 配對(duì)的工作實(shí)現(xiàn)超聲傳感器兩端的交流驅(qū)動(dòng)。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(dòng)電路翻了1倍，還有效降低了驅(qū)動(dòng)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(lì)脈沖實(shí)驗(yàn)研究

4.1 典型超聲激勵(lì)脈沖實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證不同激勵(lì)脈沖對(duì)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(duì)射方式放置，將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電壓調(diào)節(jié)為10 V，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器頻率調(diào)節(jié)為22 kHz，激勵(lì)源信號(hào)選擇三角波、正弦波、矩形波，測(cè)量回波信號(hào)。3種激勵(lì)信號(hào)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(jiàn)，矩形波激勵(lì)脈沖回波峰峰值最大，正弦波激勵(lì)脈沖回波峰峰值次之，三角波激勵(lì)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(lì)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(cè)距。

4.2 超聲波激勵(lì)脈沖電壓實(shí)驗(yàn)

雙極性發(fā)射電路中所需的AC/DC模塊輸出的激勵(lì)電壓決定著超聲傳感器的發(fā)射功率。激勵(lì)電壓過(guò)大，會(huì)增加AC/DC模塊制作成本和難度，超過(guò)耐壓值后會(huì)對(duì)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(lì)電壓，將超聲發(fā)射傳感器與接收傳感器正對(duì)1 m放置，利用設(shè)計(jì)的雙極性發(fā)射電路不斷調(diào)整激勵(lì)電壓。如圖4所示，根據(jù)激勵(lì)電壓與回波信號(hào)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)曲線，可以推斷當(dāng)超聲傳感器激勵(lì)電壓為320V時(shí)，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(lì)電壓與回波強(qiáng)度曲線

4.3 超聲激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)實(shí)驗(yàn)

超聲傳感器激勵(lì)信號(hào)是以脈沖序列的方式來(lái)發(fā)射的，每個(gè)脈沖序列中包含一定數(shù)量的矩形脈沖。脈沖個(gè)數(shù)太少無(wú)法產(chǎn)生足夠的能量激勵(lì)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(lì)脈沖個(gè)數(shù)，將發(fā)射傳感器與接收傳感器正對(duì)放置，距離分別為1,5,7 m，測(cè)量超聲回波。超聲發(fā)射傳感器激勵(lì)信號(hào)為矩形脈沖信號(hào)，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(lì)脈沖個(gè)數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線。從圖5可以看出:當(dāng)超聲傳感器激勵(lì)脈沖為10個(gè)時(shí)，其幅值已達(dá)到最大幅值的90 %左右。同時(shí)，在滿足較大發(fā)射功率的前提下，超聲脈沖個(gè)數(shù)選為10個(gè)時(shí)盲區(qū)最小。

圖5 超聲回波最大振幅與脈沖個(gè)數(shù)關(guān)系曲線

4.4 超聲波脈沖測(cè)距實(shí)驗(yàn)

超聲波激勵(lì)信號(hào)和回波信號(hào)分別經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳輸并記錄在計(jì)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(lì)控制信號(hào)和超聲回波的同步采集、存儲(chǔ)以及分析等功能。實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)射傳感器與接收傳感器同一水平放置，正對(duì)平板障礙物，其尺寸為120.0 cm(寬)×84.5 cm(高)×2.2 cm(厚)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為29 ℃，測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

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

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

3)雙極性超聲發(fā)射電路長(zhǎng)時(shí)間工作，所用元器件均無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。激勵(lì)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(cè)25 m處的障礙物。

參考文獻(xiàn):

[1]Yan Xiaole, Gu Lichen.Time-delay estimation of ultrasonic echoes based on the physical model matching[C]∥8th IEEE International Conference on Automation Science and Engineering,Seoul, Korea,2012.

[2]張和生,宋明耀.車(chē)載超聲測(cè)距儀的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2003(2):26-28.

[3]祝 琴,王 琪,劉 浩.大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].兵工自動(dòng)化，2009，28(8):35-37.

[4]Parrila M,Anaya J J,Fritsch C.Digital signal processing techniques for high accuracy ultrasonic range measurements[J].IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement,1991,40(4):759-763.

[5]林書(shū)玉.超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004：1-3.

[6]鄭音飛，陳裕泉.超聲換能器發(fā)射激勵(lì)能量利用率的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(2)：374-376.

[7]Svilainis L, Motiejūnas G.Power amplifier for ultrasonic transducer excitation[J].Ultragarsas (Ultrasound), 2006,58(1):30-36.

[8]隋衛(wèi)平，潘仲明，王躍科.一種新型的超聲換能器驅(qū)動(dòng)與回波檢測(cè)電路設(shè)計(jì)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(3):107-111.

[9]高 睿，趙 輝.超聲波物位計(jì)收發(fā)電路設(shè)計(jì)[J].計(jì)量技術(shù),2010 (5):12-15.

[10] 簡(jiǎn) 盈，王躍科，潘仲明.超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路及回波接收電路的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2004 (11):31-34.