CN102590614A - 一种超声波频率的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波频率的检测系统，应用于超声波频率的检测领域，包括锁相环单元和处理单元；所述锁相环单元用于将输入的超声波信号转换为频率相同方波信号；所述处理单元与锁相环单元连接，用于对锁相环单元传入的方波信号进行处理，获得超声波的频率。与比较器“过零”检测超声波频率的方法相比，有效避免了因温度、湿度及超声波的发射器和超声波的接收器的相对运动等外界因素而导致检测到的超声波频率发生较大偏移的问题，而且检测速度快，检测精度高。本发明应用于智能跟踪机器人时，解决了由于智能跟踪机器人之间的相互干扰，从而造成对智能跟踪机器人控制的混乱，智能跟踪机器相互碰撞的问题。

Description

一种超声波频率的检测系统及方法

技术领域

本发明涉及超声波频率检测领域，尤其涉及一种超声波频率的检测系统及方法。

背景技术

目前，超声波的应用越来越广泛，智能跟踪机器人就是超声波技术的一个典型应用，远方的控制器通过超声波向智能跟踪机器人发送一些控制信号，从而控制智能跟踪机器人的行为，并通过接收智能跟踪机器人反馈的超声波实时掌握智能跟踪机器人的运行情况；根据应用场合的不同，有时会出现多个智能跟踪机器人一起应用的情况，这时会出现智能跟踪机器人之间的相互干扰，控制器不能区分不同智能跟踪机器人发射的超声波，可能会造成智能跟踪机器人跟错与其对应的控制器，从而造成对智能跟踪机器人控制的混乱。为了对不同的智能跟踪机器人加以区分，就需要为不同的智能跟踪机器人设置不同发射频率的超声波，此时，控制器对智能跟踪机器人发射的超声波频率进行检测就成为必要。

传统超声波频率的检测方法是通过比较器“过零”检测完成超声波频率的检测；比较器“过零”检测的原理是当超声波的信号幅度大于零时输出高电平，超声波的信号幅度小于零时输出低电平，此时的参考基准信号幅度V_Ref的大小为0V。由于在比较器电路的零点附近存在噪声，容易对比较器的信号输出造成影响；为了消除“零点噪声”干扰，采用的办法是提高V_Ref的值，设置V_Ref等于90mV，这样在90mV以下的噪声就检测不到了。但是，V_Ref的提高存在的问题是包络线将影响超声波频率的检测精度，且在通过比较器“过零”检测获取超声波频率时，并不能排除超声波传播的介质及超声波发射器和超声波接收器之间多普勒效应对超声波频率的影响。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种超声波频率的检测系统及方法，其具有检测速度快，检测精度高的特点。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种超声波频率的检测系统，所述系统包括：

锁相环单元，用于将输入的超声波信号转换为频率相同方波信号；

处理单元，与锁相环单元连接，用于对锁相环单元传入的方波信号进行处理，获得超声波的频率。

特别的，所述锁相环单元包括：

相位比较单元，用于检测输入的超声波信号和输出的超声波信号的相位差，并将检测出的相位差转换为电压信号后输入振荡单元；

振荡单元，用于接收所述电压信号，并在电压信号的控制下生成方波信号；

相位检测单元，用于检测振荡单元传入的方波信号的相位，并将检测后的方波信号传入处理单元。

特别的，所述锁相环单元还包括：

信号放大单元，用于对相位比较单元传入的电压信号及传入相位检测单元的方波信号进行放大，并对其中的噪音进行抑制。

特别的，所述相位比较单元为相位比较器；所述振荡单元为压控振荡器；所述相位检测单元为正交相位检测器。

特别的，所述信号放大单元为放大器。

本发明还公开了一种超声波频率的检测方法，包括如下步骤：

A、锁相环单元将输入的超声波信号转换为频率相同方波信号；

B、处理单元对锁相环单元传入的方波信号进行处理，获得超声波的频率。特别的，所述步骤A具体包括：

A1、相位比较单元检测输入的超声波信号和输出的超声波信号的相位差，并将检测出的相位差转换为电压信号后输入振荡单元；

A2、振荡单元接收所述电压信号，并在电压信号的控制下生成方波信号；

A3、相位检测单元检测振荡单元传入的方波信号的相位，并将检测后的方波信号传入处理单元。

特别的，所述步骤A还包括：

A4、信号放大单元对相位比较单元传入的电压信号及传入相位检测单元的方波信号进行放大，并对其中的噪音进行抑制。

特别的，所述相位比较单元为相位比较器；所述振荡单元为压控振荡器；所述相位检测单元为正交相位检测器；所述信号放大单元为放大器。

本发明的有益效果为，所述一种超声波频率的检测系统及方法，其通过相位比较单元检测输入的超声波信号和输出的超声波信号的相位差，并将检测出的相位差转换为电压信号后输入振荡单元；在电压信号的控制下，振荡单元生成方波信号；通过相位检测单元检测接收振荡单元传入的方波信号的相位，并将检测后的方波信号传入处理单元；处理单元对传入的方波信号进行处理，获得超声波的频率。与比较器“过零”检测超声波频率的方法相比，有效避免了因温度、湿度及超声波的发射器和超声波的接收器的相对运动等外界因素而导致检测到的超声波频率发生较大偏移的问题，而且检测速度快，检测精度高。

附图说明

图1为本发明超声波频率的检测系统的结构示意图；

图2为本发明应用于智能跟踪机器人的频率图；

图3本发明超声波频率的检测方法流程图。

图中：1、相位比较器；2、压控振荡器；3、正交相位检测器；4、单片机；5、第一锁相放大器；6、第二锁相放大器；7、第一电容；8、第二电容；9、第三电容；10、第四电容；11、第一电阻；12、第二电阻；13、第三电阻；14、电路电源；15、开关信号输出端；16、方波信号输出端；17、信号输入端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的原理：

(1)多普勒效应对超声波频率的影响。

以超声波在智能跟踪机器人中的应用为例，智能跟踪机器人上的超声波发射传感器和控制器上的超声波接收传感器之间是有相对运动的，故我们需要考虑多普勒效应对检测超声波频率的影响。超声波接收传感器收到的超声波的频率f′可以由下面的公式进行计算：

$f^{\′}=f\×\left(\frac{V+v}{V-u}\right)$

其中，f′为超声波接收传感器收到的超声波的频率；f为超声波发射传感器发射的超声的频率；v为超声波接收传感器在介质中的速度，当接近超声波发射传感器时取正数，远离超声波发射传感器时取负数；u为超声波发射传感器在介质中的速度，当接近超声波接收传感器时取正数，远离超声波接收传感器取负数；V为介质中的声速。

在实验中，取f取40KHz，即超声波发射传感器的中心频率，v取-2m/s，u取0m/s，即超声波发射传感器固定不动，V取介质为空气时的声速，即340m/s，即可算出f′的值：

$f^{\′}=f\×\left(\frac{V+v}{V-u}\right)=40\×\left(\frac{338}{340}\right)=39.76K$

超声波频率的偏移值为：0.24KHz。

(2)风速对检测超声波频率的影响。

风会引起空气波动，空气波动会对超声波造成影响。由于超声波的频率很高，受空气波动干涉的影响可以忽略不计。

(3)温、湿度对声速的影响，进而影响到超声波的频率。

音速也即声速，即声音在介质中传播速度。声波可以在固体、液体及气体中传播，介质密度愈大，则音速愈快。在空气中，音速又会因为空气的湿度、温度及密度等因素的状态不同而有不同数值。如摄氏零度时海平面音速约为331.5m/s；一万米高空的音速约为295m/s；另外，每升高1摄氏度，音速就增加0.607m/s。温度越高，音速越大。温度、湿度对声速的影响公式为：

$V=331.45\×\sqrt{(1+\frac{T}{273.15})\×(1+\frac{0.32\×\mathrm{Pw}}{P})}$

其中，V为介质中的声速，T为摄氏温度，Pw为空气中水蒸气的分压强，Pw＝水的饱和蒸汽压×相对湿度，P是大气压强。

为了减少由于以上(1)、(2)、(3)等因素对检测超声波频频的影响，能够精确测量出超声波的频率，一种超声波频率的检测系统就显的非常必要。

请参照图1所示，图1为本发明超声波频率的检测系统的结构示意图。

本实施例中超声波频率的检测系统，包括：锁相环单元及处理单元，所述锁相环单元包括：相位比较单元、振荡单元、相位检测单元及信号放大单元；所述相位比较单元为相位比较器1；所述振荡单元为压控振荡器2；所述相位检测单元为正交相位检测器3；所述信号放大单元为锁相放大器；所述锁相放大器的个数设置为两个，分别为第一锁相放大器5和第二锁相放大器6；所述处理单元为单片机4。

所述相位比较器1，与第一电容7连接，用于检测输入的超声波信号和输出的超声波信号的相位差，并将检测出的相位差转换为电压信号后输入压控振荡器2。相位比较器1用来鉴别输入超声波信号与输出的超声波信号之间的相位差，并输出电压信号，即误差电压。误差电压中的噪声和干扰成分被低通性质的第一锁相放大器5滤除，形成压控振荡器2的控制电压。所述第一电容7的一端连接相位比较器1，另一端为超声波的信号输入端17。

所述压控振荡器2，与第一锁相放大器5连接，用于在控制电压的作用下，将输入的超声波信号转换为方波信号。压控振荡器2的一端连接第一锁相放大器5，另一端连接第一电阻11，所述第一电阻11的另一端连接第二电容8，第二电8容的另一端接地。控制电压作用于压控振荡器2的结果是把它的输出振荡频率拉向环路输入的超声波信号频率，当二者相等时，环路被锁定。维持环路锁定的直流控制电压由相位比较器提供，因此相位比较器1的两个输入信号间留有一定的相位差。

所述正交相位检测器3，与第二锁相放大器6连接，用于检测压控振荡器2传入的方波信号的相位，并将检测后的方波信号经第二锁相放大器6进行噪声滤除处理后，传入处理单元。所述正交相位检测器3的另一端连接第一电容7，且其与第二锁相放大器6通过第二电阻12连接电路电源14，所述电路电源14的电压为8V；所述第二锁相放大器6的另一端引出方波信号输出端16。

所述第一锁相放大器5通过第三电阻13连接电路电源14，且其通过第三电容9接地；第二电容8与第四电容10也分别接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络，用于滤除超声波信号中的噪音。开关信号输出端15从正交相位检测器3引出后，与单片机4连接。

所述单片机4，与锁相环单元的方波信号输出端16及开关信号输出端15连接，用于根据传入的方波信号计算出超声波的频率。由于传入单片机4的方波信号形成的方波中滤除了方波中的包络线，单片机4根据生成的方波通过运算就能获取超声波精确频率。

如图2所示，图2为本发明应用于智能跟踪机器人的频率图。在上述超声波频率的检测系统应用于操作智能跟踪机器人的控制器时，我们设定控制器接收超声波频率的频道设置为四个，智能跟踪机器人的数量也设置为四个。在40KHz时，超声波有最好的效果。考虑到控制器中的超声波传感器接收频率范围在39KHz-41KHz之间(在这个频率之外超声波传感器接收不到回波信号)，将其分为4个对称的频点：39.4KHz，39.8KHz，40.2KHz，40.6KHz。选择对称的频点有两点好处：(1)便于带宽的分配；(2)便于接受放大增益的选择；由图2可知，在40KHz时，有最大的放大增益。

由于控制器接收超声波频率的频道不同，智能跟踪机器人由于干扰而导致碰撞的概率也不同；则由以下公式可计算出智能跟踪机器人碰撞的概率

$P=\frac{m-1}{n}-\frac{m-2}{n^2}+\frac{m-3}{n^3}-\frac{m-4}{m^4}+......I$

其中p为碰撞的概率；n频道数为，m为智能跟踪机器人的个数。可以算出来频道数为四个，智能跟踪机器人的个数也为四个时，随机选择频道的情况下，智能跟踪机器人碰撞可能性的概率p为0.64。

参照图3所示，图3本发明超声波频率的检测方法流程图。

本实施例中超声波频率的检测方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S301、相位比较器1检测输入的超声波信号和输出的超声波信号的相位差，并将检测出的相位差转换为电压信号后输入压控振荡器2。相位比较器1用来鉴别输入超声波信号与输出的超声波信号之间的相位差，并输出电压信号，即误差电压。误差电压中的噪声和干扰成分被低通性质的第一锁相放大器5滤除，形成压控振荡器2的控制电压。所述第一电容7的一端连接相位比较器1，另一端为超声波的信号输入端17。

步骤S302、在控制电压的作用下，压控振荡器2将输入的超声波信号转换为方波信号。压控振荡器2的一端连接第一锁相放大器5，另一端连接第一电阻11，所述第一电阻11的另一端连接第二电容8，第二电8容的另一端接地。控制电压作用于压控振荡器2的结果是把它的输出振荡频率拉向环路输入的超声波信号频率，当二者相等时，环路被锁定。维持环路锁定的直流控制电压由相位比较器提供，因此相位比较器1的两个输入信号间留有一定的相位差。

步骤S303、正交相位检测器3检测压控振荡器2传入的方波信号的相位，并将检测后的方波信号经第二锁相放大器6进行噪声滤除处理后，传入处理单元。所述正交相位检测器3的另一端连接第一电容7，且其与第二锁相放大器6通过第二电阻12连接电路电源14，所述电路电源14的电压为8V；所述第二锁相放大器6的另一端引出方波信号输出端16。

步骤S304、根据锁相环单元的方波信号输出端16及开关信号输出端15传入的信号，单片机4精确计算出超声波的频率。由于传入单片机4的方波信号形成的方波中滤除了方波中的包络线，单片机4根据生成的方波通过运算就能获取超声波精确频率。

所述本发明的技术方案，其通过相位比较器检测输入的超声波信号和输出的超声波信号的相位差，并将检测出的相位差转换为控制压控振荡器的控制电压；在控制电压的控制下，压控振荡器生成方波信号；通过正交相位检测器检测压控振荡器传入的方波信号的相位，并将检测后的方波信号传入单片机；单片机对传入的去除包络线的方波信号进行处理，获得超声波的精确处理频率。与比较器“过零”检测超声波频率的方法相比，有效避免了因温度、湿度及超声波的发射器和超声波的接收器的相对运动等外界因素而导致检测到的超声波频率发生较大偏移的问题，而且检测速度快，检测精度高。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超声波频率的检测系统，其特征在于，所述系统包括：

锁相环单元，用于将输入的超声波信号转换为频率相同方波信号；

处理单元，与锁相环单元连接，用于对锁相环单元传入的方波信号进行处理，获得超声波的频率。

2.根据权利要求1所述的超声波频率的检测系统，其特征在于，所述锁相环单元包括：

相位比较单元，用于检测输入的超声波信号和输出的超声波信号的相位差，并将检测出的相位差转换为电压信号后输入振荡单元；

振荡单元，用于接收所述电压信号，并在电压信号的控制下生成方波信号；

相位检测单元，用于检测振荡单元传入的方波信号的相位，并将检测后的方波信号传入处理单元。

3.根据权利要求2所述的超声波频率的检测系统，其特征在于，所述锁相环单元还包括：

信号放大单元，用于对相位比较单元传入的电压信号及传入相位检测单元的方波信号进行放大，并对其中的噪音进行抑制。

4.根据权利要求2或3所述的超声波频率的检测系统，其特征在于，所述相位比较单元为相位比较器；所述振荡单元为压控振荡器；所述相位检测单元为正交相位检测器。

5.根据权利要求3所述的超声波频率的检测系统，其特征在于，所述信号放大单元为放大器。

6.一种超声波频率的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、锁相环单元将输入的超声波信号转换为频率相同方波信号；

B、处理单元对锁相环单元传入的方波信号进行处理，获得超声波的频率。

7.根据权利要求6所述的超声波频率的检测方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

A1、相位比较单元检测输入的超声波信号和输出的超声波信号的相位差，并将检测出的相位差转换为电压信号后输入振荡单元；

A2、振荡单元接收所述电压信号，并在电压信号的控制下生成方波信号；

A3、相位检测单元检测振荡单元传入的方波信号的相位，并将检测后的方波信号传入处理单元。

8.根据权利要求7所述的超声波频率的检测方法，其特征在于，所述步骤A还包括：

A4、信号放大单元对相位比较单元传入的电压信号及传入相位检测单元的方波信号进行放大，并对其中的噪音进行抑制。

9.根据权利要求8所述的超声波频率的检测方法，其特征在于，所述相位比较单元为相位比较器；所述振荡单元为压控振荡器；所述相位检测单元为正交相位检测器；所述信号放大单元为放大器。

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