CN104180860B - 超声波换能器盲区的控制系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波换能器盲区的控制系统及方法，其包括：控制器，用于根据超声波换能器发送超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小，并根据待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号；逆程升压电路，用于与超声波换能器信号连接，用于根据逆程升压幅度控制信号调整输出至超声波换能器的驱动电压的大小；逆程升压幅度控制信号用于控制超声波换能器的驱动电压随着待测距离的变大而变大，以及用于控制超声波换能器的驱动电压随着待测距离的减小而减小。本发明提供的超声波换能器盲区的控制系统及方法能自适应控制换能器驱动电压，使得换能器在盲区工作范围内驱动信号较弱，从而减小实际测量盲区。
Description
技术领域
本发明涉及超声波换能器控制领域，特别涉及一种超声波换能器盲区的控制系统与方法。
背景技术
随着超声技术的不断拓展应用，超声技术广泛应用于医学、工业等各个领域。通过超声波来实现流量监测，液位检测，油位监测也日趋成熟，具有测量精度高、量程宽、可靠性好等优点。在利用超声波进行流量和物体位置测量时，使用电脉冲激发超声波换能器，使其发出超声波激发信号，超声波信号在介质中传播，遇到不同界面(如水、油和空气的界面)反射回换能器，返回的超声波信号统称为回波信号，利用超声波激发信号与超声波回波信号的传播时间进行流量或物体位置测量。
然而超声波换能器工作盲区是通过超声波来实现流量监测或位置检测的障碍。电脉冲信号引发换能器内部能量转换元件产生同频率共振，从而激发超声波激发信号。但当激发电脉冲消失之后，由于激发时所残留的能力，超声波内部能量转换元件仍将持续振动(自由衰减振荡)，直至残留能量消耗完为止。若在超声波换能器余震幅度仍大于超声波回波信号的最大幅度时达到，则超声波回波信号将被淹没，无法识别，使得测量失败。一般将超声波换能器自由衰减振荡开始至余震幅值减小至超声波回波信号的最大幅值相等时的时间称之为超声波换能器的工作盲区。
专利申请号为CN201210238866的文献公开了一种基于余震能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法，其通过连接电容电感形式硬件实现消除余震能量，此方法中硬件中各元件不可调整，无法适用于不同超声波换能器的工作盲 区。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种超声波换能器盲区的控制系统与方法，以提供一种自适应调整超声波换能器的工作盲区的方式。
一方面，本发明提供了一种超声波换能器盲区的控制系统，包括：控制器，用于与超声波换能器信号连接，且用于根据所述超声波换能器发送超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小，并根据所述待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号；逆程升压电路，与所述控制器信号连接，并与所述超声波换能器信号连接，用于根据所述逆程升压幅度控制信号调整输出至所述超声波换能器的驱动电压的大小；所述逆程升压幅度控制信号用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的减小而减小。
进一步地，所述逆程升压幅度控制信号为脉冲信号。
进一步地，所述控制器还用于根据所述待测距离的大小调整所述逆程升压幅度控制信号的幅度及选通时间。
进一步地，所述控制器还用于根据所述待测距离的大小发出阻抗匹配控制信号；所述的超声波换能器盲区的控制系统还包括用于对所述超声波换能器进行阻抗匹配的阻抗匹配电路，与所述控制器信号连接，并用于与所述超声波换能器信号连接，且用于根据所述阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小；所述阻抗匹配控制信号用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的减小而减小。
进一步地，所述逆程升压电路为可变电感升压模块。
进一步地，所述阻抗匹配电路包括：并联的三个支路，其中第一支路上设置有锁相鉴频模块，第二支路上设置有可调容抗模块，第三支路上设置有第一电容。
进一步地，所述的超声波换能器盲区的控制系统还包括设置在所述可调容 抗模块与所述第一电容之间的滤波电路，所述滤波电路包括并联的第二电容与电阻。
另一方面，本发明提供了一种超声波换能器盲区的控制方法，包括：逆程升压电路高压驱动超声波换能器；控制器根据所述超声波换能器发送超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小，并根据所述待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号；所述逆程升压电路根据所述逆程升压幅度控制信号调整输出至所述超声波换能器的驱动电压的大小；所述逆程升压幅度控制信号用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的减小而减小。
进一步地，所述逆程升压幅度控制信号为脉冲信号；所述“根据所述待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号”的步骤包括：用于根据所述待测距离的大小调整所述逆程升压幅度控制信号的幅度及选通时间。
进一步地，所述控制器还根据所述待测距离的大小发出阻抗匹配控制信号；阻抗匹配电路根据所述阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小；所述阻抗匹配控制信号用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的减小而减小。
本发明超声波换能器盲区的控制系统及方法通过控制器根据实际测量距离，动态自适应选择逆程升压幅度，当待测距离在盲区以外的时候采用高压激励换超声波能器，当根据所述超声波换能器发送超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差识别到待测距离接近盲区范围时，减小超声波换能器的驱动电压，自适应控制换能器驱动电压，使得换能器在盲区工作范围内驱动信号较弱，从而减小实际测量盲区。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图 中：
图1为本发明实施例提供的超声波换能器盲区的控制系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的超声波换能器盲区的控制系统中电路及功能单元的示意图；
图3为本发明实施例提供的超声波换能器盲区的控制系统中阻抗匹配电路的电路结构图；
图4为本发明实施例提供的超声波换能器盲区的控制方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的超声波换能器盲区外的驱动电压(左边)与盲区内的驱动电压(右边)比较示意图；
图6为现有盲区余震与本发明实施例提供的超声波换能器盲区余震的比较示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为本发明实施例提供的超声波换能器盲区的控制系统的结构框图；如图1所示，一种超声波换能器盲区的控制系统，包括：控制器，用于与超声波换能器信号连接，且用于根据所述超声波换能器发送超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小，并根据所述待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号；逆程升压电路，与所述控制器信号连接，并用于与所述超声波换能器信号连接，且用于根据所述逆程升压幅度控制信号调整输出至所述超声波换能器的驱动电压的大小；所述逆程升压幅度控制信号用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的减小而减小。具体如图5所示，图5中左边是盲区外超声波换能器的驱动电压，图5中右边是盲区内超声波换能器的驱动电压。
上述方案中控制器根据实际测量距离，动态自适应选择逆程升压幅度，当 待测距离在盲区以外的时候采用高压激励超声波换能器，当采用模糊识别算法(即根据所述超声波换能器发送超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差)识别到待测距离接近盲区范围时，减小超声波换能器的驱动电压，自适应控制换能器驱动电压，使得换能器在盲区工作范围内驱动信号较弱，从而减小实际测量盲区。具体如图6所示，图6中左边是现有盲区余震示意图，图6中右边本发明实施例提供的超声波换能器盲区余震的示意图。
具体操作时，所述逆程升压幅度控制信号为脉冲信号；优选地，所述控制器还用于根据所述待测距离的大小调整所述逆程升压幅度控制信号的幅度及选通时间。在识别到待测距离接近盲区范围时，通过减小所述逆程升压幅度控制信号的选通时间，使得逆程电路累计电荷减少，从而减小实际测量时的盲区。
优选地，所述控制器还用于根据所述待测距离的大小发出阻抗匹配控制信号；所述的超声波换能器盲区的控制系统还包括阻抗匹配电路，与所述控制器信号连接，并用于与所述超声波换能器信号连接，且用于根据所述阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小，进而调整所述超声波换能器(其可以等效为电感-电阻-电容振荡电路)的谐振大小；所述阻抗匹配控制信号用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的变大而变大，相应地所述超声波换能器的谐振也变大，以及用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的减小而减小，相应地所述超声波换能器的谐振也变小。通过在识别到待测距离接近盲区范围时，选通阻抗匹配电路，匹配超声波换能器阻抗，快速衰减探头余震。
具体地，如图2所示，所述逆程升压电路可以为可变电感升压模块，对应的逆程升压幅度控制信号为图2中的B信号；图2中的A信号为控制器对超声波换能器21的驱动信号；如图2及图3所示，所述阻抗匹配电路可以包括：并联的三个支路，其中第一支路上设置有锁相鉴频模块31，第二支路上设置有可调容抗模块32，第三支路上设置有第一电容C1；在图3中，该超声波换能器21等效为电容C3与电阻R3的串联支路，对应的阻抗匹配控制信号为图2中的C信号；此外，图2是为图1所示框图的具体电路结构图，其作用过程及原理与图1所示结构一样，不再赘述。值得一提的，图2中的第二电容C2与电阻 R2的并联支路组成一个滤波电路，隔离可变电感升压模块的直流电压，选通脉冲电压。
本实施例通过从探头能量源头探头驱动硬件电路出发，设计可调整参数的逆程升压电路驱动超声波换能器，自适应动态调整换能器驱动电压，在盲区内采取低电压信号驱动换能器，减小换能器工作电压，使得换能器余震信号本身就相对变小，从而衰减更快；此外，可调选配电子开关控制选通阻抗匹配电路，从硬件方面快速衰减探头余震，以及调整逆程升压电路选通时间，使得在盲区范围内逆程电路累计电荷减少，减小驱动升压幅度，减小换能器的驱动电压。
如图4所示，本发明还提供一种工程车辆的发动机转速控制方法实施例，本实施例为图1中超声波换能器盲区的控制系统的控制流程图，图1中对于超声波换能器盲区的控制系统的解释说明均适用于于本实施例，该超声波换能器盲区的控制方法包括：
S51：在系统上电后，逆程升压电路高压驱动超声波换能器；
S52：控制器根据所述超声波换能器发送超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小；
S53：根据所述待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号；
优选地，所述逆程升压幅度控制信号为脉冲信号；所述“根据所述待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号”的步骤包括：用于根据所述待测距离的大小调整所述逆程升压幅度控制信号的幅度及选通时间；
S54：所述逆程升压电路根据所述逆程升压幅度控制信号调整输出至所述超声波换能器的驱动电压的大小；所述逆程升压幅度控制信号用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的减小而减小；
S55：所述控制器还根据所述待测距离的大小发出阻抗匹配控制信号；
S56：阻抗匹配电路根据所述阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小，进而调整所述超声波换能器的谐振大小；所述阻抗匹配控制信号用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述阻抗匹配电 路的阻抗随着所述待测距离的减小而减小。
上述步骤S55及S56是通过可调选配电子开关控制选通阻抗匹配电路，从硬件方面快速衰减探头余震，为优选方式。
本实施例通过逆程升压电路在超声波换能器两端提升或者减小或者消除驱动电压的方法，根据待测距离的大小动态实现换能器驱动方式，动态改变换能器工作状态，快速驱动或者衰减换能器，使得换能器余震信号本身就相对变小，从而衰减更快,实现余震能量的加速消耗，减小超声波换能器工作盲区；此外，动态调整逆程升压电路回路的选通时间，使得在盲区范围内逆程电路累计电荷减少，减小驱动升压幅度，减小换能器的驱动电压，以及可调选配电子开关控制选通阻抗匹配电路，从硬件方面快速衰减探头余震，以及调整逆程升压电路选通时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超声波换能器盲区的控制系统，其特征在于，包括：
控制器，用于与超声波换能器信号连接，且用于根据所述超声波换能器发送超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小，并根据所述待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号；
逆程升压电路，与所述控制器信号连接，并与所述超声波换能器信号连接，用于根据所述逆程升压幅度控制信号调整输出至所述超声波换能器的驱动电压的大小；所述逆程升压幅度控制信号用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的减小而减小；
所述控制器还用于根据所述待测距离的大小发出阻抗匹配控制信号；
所述的超声波换能器盲区的控制系统还包括用于对所述超声波换能器进行阻抗匹配的阻抗匹配电路，与所述控制器信号连接，并与所述超声波换能器信号连接，用于根据所述阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小；所述阻抗匹配控制信号用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的减小而减小。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器盲区的控制系统，其特征在于，所述逆程升压幅度控制信号为脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的超声波换能器盲区的控制系统，其特征在于，所述控制器还用于根据所述待测距离的大小调整所述逆程升压幅度控制信号的幅度及选通时间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声波换能器盲区的控制系统，其特征在于，所述逆程升压电路为可变电感升压模块。
5.根据权利要求4所述的超声波换能器盲区的控制系统，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括：并联的三个支路，其中第一支路上设置有锁相鉴频模块，第二支路上设置有可调容抗模块，第三支路上设置有第一电容。
6.根据权利要求5所述的超声波换能器盲区的控制系统，其特征在于，还包括设置在所述可调容抗模块与所述第一电容之间的滤波电路，所述滤波电路包括并联的第二电容与电阻。
7.一种超声波换能器盲区的控制方法，其特征在于，包括:
逆程升压电路高压驱动超声波换能器；
控制器根据所述超声波换能器发送超声波信号及接收相应回波信号之间的时间差确定待测距离的大小，并根据所述待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号；
所述逆程升压电路根据所述逆程升压幅度控制信号调整输出至所述超声波换能器的驱动电压的大小；所述逆程升压幅度控制信号用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述超声波换能器的驱动电压随着所述待测距离的减小而减小；
所述控制器还根据所述待测距离的大小发出阻抗匹配控制信号；
阻抗匹配电路根据所述阻抗匹配控制信号调整自身阻抗大小；所述阻抗匹配控制信号用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的变大而变大，以及用于控制所述阻抗匹配电路的阻抗随着所述待测距离的减小而减小。
8.根据权利要求7所述的超声波换能器盲区的控制方法，其特征在于，所述逆程升压幅度控制信号为脉冲信号；
所述“根据所述待测距离的大小发出逆程升压幅度控制信号”的步骤包括：用于根据所述待测距离的大小调整所述逆程升压幅度控制信号的幅度及选通时间。
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