CN101315309A - 超声波压力传感器及气压监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波压力传感器及使用该超声波压力传感器的气压监测装置。所述超声波压力传感器包括设有进气口的管体；设置在所述管体的一端以发送超声波的超声波发射器；设置在所述管体的另一端的超声波接收器，所述超声波接收器接收通过所述管体内的空气传播过来的超声波，并依据所接收的超声波输出振幅与所述管体内气压成比例的正弦电压；以及将所述管体、超声波发射器和超声波接收器容置在其内的外壳。使用该超声波压力传感器的气压监测装置可以有效的检测到对人体有负面影响的幅度在0.1Pa到50Pa之间、频率为0.02Hz到2Hz的气压波动，并通过各种直观的显示方式显示出来。

Description

超声波压力传感器及气压监测装置

技术领域

本发明涉及气压检测，更具体地说，涉及一种超声波压力传感器及使用该超声波压力传感器的气压监测装置。

背景技术

大气压每时每刻在不断变化着，如图1所示是某一天的大气压变化曲线图。在A处和B处所示的两分钟时间内，大气压可能存在两种类型的变化，一种是完全恒定或平滑的改变(A1和B1)，一种是波动(A2和B2)。这些气压波动通常在0.1Pa到50pa的幅度范围内，频率为0.02Hz到2Hz。这些波动的波形可能是不规则的，也可能近似于正弦波。

绝对气压对天气的变化会产生影响，但是对人体不会产生直接的负面影响，人体可以调整自身以适应不同的绝对气压，只要该气压在70～120hPa舒适范围内。但是，气压的波动会对人体产生影响。很多对天气敏感的人会因天气的变化而出现各种症状，如头痛，血压发生变化，感觉疲惫等，实际上这些人都是对如图中A2和B2所示的气压的波动很敏感。

然而，目前气象台使用的气压计测量出的气压通常只有10～100Pa的精度，完全不能够反映出上述的气压波动。使用现有的各种电阻型或电容型压力传感器检测气压的气压计，最好的分辨率仅在5～10Pa的范围内。使用现有的各种声压式麦克风作为压力传感器，能测得0.1Pa的气压变化，但是其频率不能低于0.1Hz。因而，现有的各种气压计均不能很好的检测出上述的气压波动。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提供一种超声波压力传感器和使用该超声波压力传感器的气压监测装置，能够有效的监测出气压变化中的小波动。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：提出一种超声波压力传感器，包括：

设有进气口的管体；

设置在所述管体的一端以发送超声波的超声波发射器；

设置在所述管体的另一端的超声波接收器，所述超声波接收器接收通过所述管体内的空气传播过来的超声波，并依据所接收的超声波输出振幅与所述管体内气压成比例的正弦电压；以及

将所述管体、超声波发射器和超声波接收器容置在其内的外壳。

上述超声波压力传感器的外壳为封闭型外壳，所述外壳内还设有将外部空气从所述管体的进气口引入所述管体内的一个或多个空气导管。或者，所述外壳的一侧设有开口，所述开口上覆盖有金属丝网。

上述超声波压力传感器中，所述管体与外壳之间填充有PU海绵。

上述超声波压力传感器中，所述超声波接收器倾斜一定的角度安装在所述管体的另一端。

本发明为解决其技术问题还提出一种气压监测装置，包括：

用于生成超声波频率范围内的方波的振荡器；

超声波压力传感器，所述超声波压力传感器包括设有进气口的管体、设置在所述管体的一端的超声波发射器和设置在所述管体的另一端的超声波接收器，所述超声波发射器在所述方波的驱动下发送超声波，所述超声波接收器接收由通过所述管体内的空气传播过来的超声波，并依据所接收的超声波输出振幅与所述管体内气压成比例的正弦电压；

检测所述超声波接收器输出的正弦电压的峰值并输出峰值电压的峰值检测器；

对所述峰值电压进行AC放大的AC放大器；

接收所述AC放大器的输出并进行对应显示的显示器。

上述气压监测装置还包括连接在所述峰值检测器和所述AC放大器之间以对所述峰值电压进行带通滤波的带通滤波器。

上述气压监测装置中，所述显示器包括多个LED组成的LED显示柱，其中的每个LED对应一定的气压值；所述LED显示柱中的多个LED进一步分为具有不同颜色的多组，分别表示不同的气压范围。进一步，所述LED显示柱中的多个LED可以以对应于预定平均气压的一个LED为中心对称分布。对应选定的LED，还设有记录所选定的LED发光次数的计数器。

上述气压监测装置还包括有声音提示装置，接收所述AC放大器的输出并转换成声音信号输出。

本发明具有以下有益效果：本发明的超声波压力传感器能够检测到低至0.1Pa的气压变化，并能够用于0.02～200Hz的整个次声波频率范围。使用该传感器的气压监测装置能够有效的监测出大气压的各种波动，并通过LED显示柱上各个LED的闪烁状态以及LED的颜色直观的反映出气压的实时变化，简便易识别。

附图说明

图1是某一天的大气压变化曲线图；

图2是本发明超声波压力传感器第一实施例的结构示意图；

图3是本发明超声波压力传感器第二实施例中超声波接收器的安装示意图；

图4是本发明超声波压力传感器中发射端和接收端的电压示意图；

图5是本发明超声波压力传感器第三实施例的结构示意图；

图6是本发明气压监测装置的逻辑框图；

图7a-7e分别是本发明气压监测装置中显示器的不同实现示意图；

图8是图6所示的气压监测装置一个实施例的电路图；

图9是用作超声波压力传感器的麦克风的结构示意图；

图10是用于检测次声波的车载式麦克风的结构示意图；

图11是本发明气压检测装置一个实施例的使用状态示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

图2是本发明超声波压力传感器的第一实施例的结构示意图。如图2所示，该超声波压力传感器主要由管体22、设置在管体22一端的超声波发射器21和设置在管体22另一端的超声波接收器23构成。管体22可以由塑胶、金属或海绵状材料制成，其上开设有将外部空气引入管体内的开口27，以确保管体22内的气压等于所监测的外部环境气压。从超声波发射器21产生的超声波经过管体内空气的传播，被超声波接收器23接收。超声波从发射端到接收端的传播取决于管体内的气压，也就是说，管体内气压越高，超声波的传播性越好。根据接收到的超声波，超声波接收器输出一个正弦电压，其频率与发射器21的频率相同，但振幅与管体22内气压成比例。发射器端的电压US1和接收器端的电压US2如图4所示，超声波发射器21与超声波接收器23之间的距离经调整后，可以保证US1的上升沿总是对应于US2的下降沿，这样可以大大的补偿受温度影响所产生的偏差。本发明所使用的超声波发射器和接收器可以是现有的各种常用超声波发射器和接收器，例如最常用的频率为40kHz的超声波发射器和接收器。当然，使用具有更高频率的超声波发射器和接收器将更为有利。

如图2所示，管体22、超声波发射器21和超声波接收器23被容置在外壳28内，并在外壳28和管体22之间填充有PU海绵24，以将管体22、超声波发射器21和超声波接收器23包裹起来。PU海绵24的作用是吸收超声波并隔热。该PU海绵24内还设有一层金属屏蔽罩25，用以屏蔽外界电磁波对该传感器的影响。一个或多个空气导管26从外壳28的外部引入，以将空气通过管体22上的开口27引入管体22内。如图2所示的实施例中，空气导管26贯穿外壳28的两端，并在对应于管体开口27的位置处设有对应的排气口，将外部空气引入管体22内，以保证管体22内气压等于外部环境气压。为了便于将该传感器安装在PCB上或与其他器件连接，还设有分别与发射器和/或接收器连接的金属引线(图中未示出)或图2所示的插头29。

图3是本发明超声波压力传感器第二实施例中超声波接收器的安装示意图。该实施例的超声波压力传感器结构与图近似。如图3所示，超声波接收器23可以倾斜一定的角度安装在直接由PU海绵24形成的管体的一端，并由PU海绵所包围。这样的设置可以最小化接收器端所产生的超声波反射，提高传感器的精确性。

图5是本发明超声波压力传感器第三实施例的结构示意图。如图5所示，该超声波压力传感器的外壳38由金属材料制成，呈半球状，朝外的一侧设有开口。所述开口上覆盖有金属丝网35，该金属丝网35由非常细的金属丝组成，例如，每毫米的距离内至少有5根金属丝。沿外壳以及开口内侧，填充有一层PU海绵34，起挡风和隔热的作用。与图2所示结构相似的传感器管体32、超声波发射器和接收器设置在该半球状外壳内。外部气流从外壳的开口穿过金属丝网35和PU海绵34进入该外壳内，并通过管体32上的开口37进入管体内，从而保证管体32内气压等于传感器外部环境气压。此外，该传感器也设置有与图2中结构相同的插头39，用于该传感器的安装和连接。

图5所示的实施例尤其适合于用作检测频率在2Hz到100Hz范围内的次声波的麦克风。现有的电介式麦克风和电容式麦克风通过提供特别设计的电源电路来抑制高频，也可以用来代替图5所示的超声波压力传感器，但是该麦克风的直径需要足够的大。如图9所示，将麦克风91设置在金属管92内，在麦克风91的后侧及周侧填充PU海绵93，并在其前侧填充密度相对较大的PU海绵94。此外，在金属管92的前端安装有格删95，通过中心的凸起97嵌入PU海绵的凹部96内，对PU海绵施加压力，向麦克风91的开口方向挤压该PU海绵。通过这种结构，便可只许运低频声音通过。

高速开车时，特别是在车窗或顶棚部分打开的情况下，司机和车内乘客将处于次声波环境中，对人体产生不利的影响。采用前述本发明超声波压力传感器的麦克风便可以检测这种次声波。如图10所示，将麦克风安装在合适的壳体102内，并设置与车载打火机相适配的插头101，便可用作车载式次声波检测器。检测到的次声波级别可以通过LED显示柱103显示出来，或者转换成声音信号提醒司机。有关显示的部分可以参考对图7a-7e的描述。

本发明的超声波压力传感器还可以应用于各种场合，例如气压计、听诊器、压差检测器等等。以下介绍使用本发明的超声波压力传感器监测大气压的气压监测装置。如图6和图8所示分别是本发明气压监测装置一个实施例的逻辑框图和电路图。电源电路44为整个装置的各个部件供电，其输出的电压必须极其稳定。振荡器41例如晶体振荡器生成频率在超声波频率范围内(例如40kHz或更高的频率)的方波US1，用以驱动超声波压力传感器42的超声波发射器发射该超声波。该超声波经过管体内空气的传播到达超声波接收器端。超声波接收器依据所接收到的超声波输出正弦电压US2。正弦电压US2的频率与US1相同，振幅取决于管体内的气压，即与管体内气压成比例。

超声波接收器输出的正弦电压US2经整流后将峰值检测器43中的电容器充电，获得峰值电压NF1。该峰值电压NF1即对应于传感器管体内气压的绝对气压值，亦即传感器所监测的外部环境气压的绝对气压值，而NF1的AC成分即表示气压的波动。例如，超声波发射器电压5V所产生的接收器侧峰值电压也接近5V，但是100Pa的气压上升将增加4mV的峰值电压，而1Pa的微小气压改变将使接收器侧电压改变40μV。

接着，使用带宽在至少0.01～2Hz的AC放大器46将NF1中的波动成分放大，输出NF2。为了获得更好的信号质量，可以在峰值检测器43和AC放大器之46间增加带通滤波器45，先对该NF1进行滤波。AC放大器46的输出NF2驱动显示器47的输入，便可通过各种形式的显示器47将气压的波动显示出来。本发明的上述气压监测装置可以有效的检测到前述的幅度在0.1Pa到50pa之间、频率为0.02Hz到2Hz且会对人体产生负面影响的气压波动。

图7a-7e分别是本发明气压监测装置中显示器的不同实现示意图。如图7a，该显示器为多个LED组成的LED显示柱，每个LED对应一定的气压值。该多个LED中最中心的一个LED 71对应于预定的平均气压，而剩下的LED依据其所对应的气压值低于或高于平均气压的程度而上下对称分布。这种对称分布的LED显示柱既可以反映出气压波动幅度的变化，还可以看出是否高于或低于预定的平均气压。此外，还可以将LED显示柱的多个LED进一步划分为多组，分别表示不同的气压范围。例如图7a中，基于中间的LED 71所对应的平均气压，将LED分为对称分布的四组，其中的第一组LED 72表示波动幅度极小，第二组LED 73表示波动幅度稍高，第三组LED 74表示波动幅度很高，第四组LED 75表示波动幅度极高。为了更直观的反映气压的波动，还可以使每一组LED对应一种颜色。图7b所示的显示器在图7a的基础上，针对选定的几个LED增设有计数器76。该计数器的作用是记录过去所发生的气压变化情况。这可以通过一组比较器来实现，每个比较器设置为对应的一定气压级。当监测到的气压变化与某个比较器匹配时，激活该匹配器对应的LED，并同时触发对应的计数器加1。通过设置，可以随时对该计数器清零。图7c所示的显示器与图7a类似，由多个LED组成LED显示柱，但仅显示出气压波动的幅度。图7d所示的显示器采用现有的指针和刻度盘，通过指针的摆动来反映气压的波动。图7e所示的显示器为LCD矩阵，例如40×120像素的LCD矩阵，其中的横向表示时间，纵向表示气压波动的幅度。

此外，本发明的气压监测装置还可设有声音提示装置，如图8中虚线箭头部分所示，AC放大器的输出电压NF2输入给压控振荡器，由该压控振荡器生成可听范围内的正弦电压NF3，例如1KHz。然后，压控振荡器的输出电压NF3通过音频放大器放大后，驱动扬声器发出声音。或者，AC放大器的输出可以提供给模数转换器转换成数字信号输出。又或者，通过多个频率滤波器将AC放大器的输出信号进行分频并显示。

如图11所示，是本发明一个实施例的桌面型气压监测装置111的示意图。由于放置该气压监测装置的支撑物例如桌面114等的震动会影响气压监测装置111的精确性，如图所示，该气压监测装置111还设置有基座113，其内的海绵垫112可以减轻震动对气压监测装置111的不利影响。

Claims (10)

1、一种超声波压力传感器，其特征在于，包括：

设有进气口的管体；

设置在所述管体的一端以发送超声波的超声波发射器；

设置在所述管体的另一端的超声波接收器，所述超声波接收器接收通过所述管体内的空气传播过来的超声波，并依据所接收的超声波输出振幅与所述管体内气压成比例的正弦电压；以及

将所述管体、超声波发射器和超声波接收器容置在其内的外壳。

2、根据权利要求1所述的超声波压力传感器，其特征在于，所述外壳为封闭型外壳，所述外壳内还设有将外部空气从所述管体的进气口引入所述管体内的一个或多个空气导管。

3、根据权利要求1所述的超声波压力传感器，其特征在于，所述外壳的一侧设有开口，所述开口上覆盖有金属丝网。

4、根据权利要求2或3所述的超声波压力传感器，其特征在于，所述管体与外壳之间填充有PU海绵。

5、根据权利要求1所述的超声波压力传感器，其特征在于，所述超声波接收器倾斜一定的角度安装在所述管体的另一端。

6、一种气压监测装置，其特征在于，所述气压监测装置包括：

用于生成超声波频率范围内的方波的振荡器；

超声波压力传感器，所述超声波压力传感器包括设有进气口的管体、设置在所述管体的一端的超声波发射器和设置在所述管体的另一端的超声波接收器，所述超声波发射器在所述方波的驱动下发送超声波，所述超声波接收器接收由通过所述管体内的空气传播过来的超声波，并依据所接收的超声波输出振幅与所述管体内气压成比例的正弦电压；

检测所述超声波接收器输出的正弦电压的峰值并输出峰值电压的峰值检测器；

对所述峰值电压进行AC放大的AC放大器；

接收所述AC放大器的输出并进行对应显示的显示器。

7、根据权利要求6所述的气压监测装置，其特征在于，所述装置还包括连接在所述峰值检测器和所述AC放大器之间以对所述峰值电压进行带通滤波的带通滤波器。

8、根据权利要求6所述的气压监测装置，其特征在于，所述显示器包括多个LED组成的LED显示柱，其中的每个LED对应一定的气压值；所述LED显示柱中的多个LED进一步分为具有不同颜色的多组，分别表示不同的气压范围。

9、根据权利要求8所述的气压监测装置，其特征在于，所述LED显示柱中的多个LED以对应于预定平均气压的一个LED为中心对称分布；对应选定的LED，还设有记录所选定的LED发光次数的计数器。

10、根据权利要求6所述的气压监测装置，其特征在于，所述气压监测装置还包括有声音提示装置，接收所述AC放大器的输出并转换成声音信号输出。

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