CN105572672A - 超声脉冲回波测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声脉冲回波测距装置，包括：压电转换器，用于发射超声波至目标物体并接收由目标物体反射的回波；发射器，用于驱动转换器；接收器，用于接收转换器的信号；第一变压器，具有耦接至发射器的输出的初级绕组以及连接至转换器的次级绕组；第二变压器，具有耦接至接收器的输入的初级绕组以及连接至转换器的次级绕组。为了优化传入和传出压电转换器的信号，第一和第二转换器的次级绕组与转换器串联，第一开关元件与第一变压器的初级绕组并联，并且控制第一开关元件，以当接收器接收来自转换器的信号时，使该初级绕组短路，以及第二开关元件与第二变压器的初级绕组并联，控制第二开关元件，以当发射器驱动转换器时，使该初级绕组短路。

Description

超声脉冲回波测距装置
技术领域
本发明涉及一种超声脉冲回波测距装置。
背景技术
脉冲回波测距装置，比如渡越时间测距装置，通常用于物位测量应用，在发射一系列能量脉冲之后，通过测量接收反射脉冲或回波所用的时间来确定与目标物体(比如，容器中材料的反射面)的距离。这种装置通常使用超声脉冲或脉冲雷达或微波信号。
声脉冲回波测距系统一般包括生成高频电脉冲的发射器，以使电声转换器生成声脉冲。使用该同样的转换器接收从目标物体反射回来的声能，并把该能量转化为应用于接收器的电信号。通过放大、过滤和封波整形，可从接收到的信号中生成回波廓线，其中，在某些点进行模拟数字转换。通过信号处理器在数字回波廓线中识别回波脉冲，并且基于发射的能量脉冲和被识别的回波脉冲的传输次数，可计算出目标物体的距离或范围。之后，利用通信协议，计算出的距离或范围通过通信总线传输至过程控制系统。
从JP2010-158470A已知一种医用超声诊断仪。该已知的装置包括：
-压电转换器，用于发射超声波至目标物体并且接收从该目标物体反射回来的回波，
-发射器，具有驱动转换器的输出端，
-接收器，具有接收来自转换器的输入端，
-第一变压器，具有耦接至发射器的输出端的初级绕组和连接至转换器的次级绕组，以及
-第二变压器，具有耦接至接收器的输入端的初级绕组和连接至转换器的次级绕组。
该第一和第二变压器的次级绕组并联。
在物位测量应用中，声波传播受衰减的影响，该衰减的程度会随距离增强。当测量范围(距离)大时，回波的大量衰减会使得该回波无法从周围的噪声中被检测出来。因此，如果已知装置用于超声物位测量并且试图在两个方向增强电信号，即从发射器到压电转换器以及从转换器到接收器，那么当激励转换器发射超声脉冲时，接收器输出端会暴露于非常高的电压之下。这就需要保护电路，比如，具有高串联阻抗的限制器，该限制器也会降低接收信号。另外，第二变压器的尺寸必须被设计为可以处理发射脉冲的振幅。由于变压器的次级绕组与压电转换器并联，那么在使用高电压激励时会发生其他限制。
发明内容
本发明寻求克服现有技术的缺点，并且优化压电转换器的信号传入和信号传出。
根据本发明，这个目标可通过本发明的超声脉冲回波测距装置实现。
因此，根据本发明，
-第一和第二变压器的次级绕组与转换器串联，
-第一开关元件与第一变压器的初级绕组并联，控制第一开关元件，以当接收器接收来自转换器的信号时，使第一变压器的初级绕组短路，并且
-第二开关元件与第二变压器的初级绕组并联，控制第二开关元件，以当发射器驱动转换器时，使第二变压器的初级绕组短路。
两个变压器将它们的次级绕组串联，并且每个变压器都可以被短路，让另外一个不受限制地执行其功能。由各变压器的初级侧反映出所说的短路，在电路中只剩下低阻抗(主要是由于漏电感和绕组电阻)。电信号可以在两个方向上提高或升压而不用使接收器输入端暴露于高电压之下。并不存在相冲突的要求并且可针对任意期望的电压比设计该两个变压器。不需要用于高电压保护并且会降低接收信号的限制电路。由于发射脉冲时，第二接收变压器被短路，该变压器就不会暴露于高电压之下，因此该变压器的尺寸可以很小。
第二开关元件可通过诸如一对背对背二极管的限制器方便地实现，该元件也可以用于接收器的输入端的限制器功能，尽管当发射器关闭时，并不需要这样的限制功能，并且当接收器监听来自转换器的信号时，第二开关元件是关闭的。
附图说明
将通过优选的示例并且参照附图，进一步描述本发明，其中：
图1是体现本发明的脉冲回波测距装置的相关部分的示意图，以及
图2示出了第二开关元件的可替代示例。
具体实施方式
图1中示出的超声脉冲回波测距装置包括发射器1，该发射器通常包括单端或推挽式驱动电路，在发射脉冲的期间该电路用于以期望的高工作频率接通和切断电流供应。由控制评估单元2控制脉冲的长度和重复率。第一变压器3将发射器1与压电转换器4耦接。转换器4调谐为在工作频率下或者在工作频率附近共振，并且转换器4可将发射器1的输出端5的高频电能转化成朝向目标物体(没有示出)的声能。接收器6接收由转换器4从声能转化的电信号，该声能由目标物体反射回来并且通过第二变压器7传输至接收器6的输入端8。通过放大、过滤和封波整形，可从接收到的信号中生成回波廓线，其中，在某些点进行模拟数字转换。通过控制评估单元2识别在数字回波廓线中的回波脉冲，并且基于发射的能量脉冲和被识别的回波脉冲的传输次数，计算目标物体的距离或范围。之后，计算出的距离或范围通过通信总线9传输至过程控制系统(没有示出)。
第一变压器3具有耦接至发射器1的输出端5的初级绕组10和连接至压电转换器4的次级绕组11。第二变压器7具有耦接至接收器6的输入端8的初级绕组12和与转换器4的第一变压器3的次级绕组11串联的次级绕组13。
与第一变压器3的初级绕组10并联的是第一开关元件14，由评估单元2控制该第一开关元件，以当发射器1被关闭并且接收器6监听来自转换器4的信号时，使初级绕组10短路。第二开关元件15与第二变压器7的初级绕组12并联，并且控制该第二开关元件，以当发射器1驱动转换器4时，使第二变压器7的初级绕组12短路。开关元件14和15可以是任何类型的半导体开关。
例如，工作频率在10kHz到60kHz之间，第一变压器3从初级绕组10到次级绕组11的升压比为1：12或者更大，并且第二变压器7允许从次级绕组13到初级绕组12的1:3到1:10的额外升压比。
如图2所示，第二开关元件15可以是限制器，比如一对背对背二极管16和17，该限制器由在发射器1驱动转换器4时出现在第二变压器7的初级绕组12上的高电压控制。

Claims (4)

1.一种超声脉冲回波测距装置，包括：
-压电转换器(4)，用于向目标物体发射超声波并且接收由所述目标物体反射的回波，
-发射器(1)，具有用于驱动所述转换器(4)的输出端(5)，
-接收器(6)，具有用于接收来自所述转换器(4)的信号的输入端(8)，
-第一变压器(3)，具有耦接至所述发射器(1)的输出端(5)的初级绕组(10)和连接至所述转换器(4)的次级绕组(11)，以及
-第二变压器(7)，具有耦接至所述接收器(6)的输入端(8)的初级绕组(12)和连接至所述转换器(4)的次级绕组(13)，
其特征在于：
-所述第一转换器(3)的次级绕组(11)和所述第二转换器(7)的次级绕组(13)与所述转换器(4)串联，
-第一开关元件(14)与所述第一变压器(3)的初级绕组(10)并联，控制所述第一开关元件(14)，以当所述接收器(6)接收来自所述转换器(4)的信号时，使所述第一变压器(3)的初级绕组(10)短路，以及
-第二开关元件(15)与所述第二变压器(7)的初级绕组(12)并联，控制所述第二开关元件(15)，以当所述发射器(1)驱动所述转换器(4)时，使所述第二变压器(7)的初级绕组(12)短路。
2.根据权利要求1所述的超声脉冲回波测距装置，其特征在于，所述第二开关元件(15)为限制器(16)，该限制器限制在所述发射器(1)驱动所述转换器(4)时出现在所述第二变压器(7)的初级绕组(12)上的高电压。
3.根据权利要求2所述的超声脉冲回波测距装置，其特征在于，所述限制器(16)由一对背对背二极管(17，18)组成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的超声脉冲回波测距装置，其特征在于，所述第一变压器(3)从所述初级绕组(10)到所述次级绕组(11)的升压比为1：M，其中，M>1，并且所述第二变压器(7)从所述次级绕组(13)到所述初级绕组(12)的升压比为1：N，其中，N>1。
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