CN108254001A - 一种超声传感器及其测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声传感器及其测量精度的方法包括依次串联的MCU处理模块、第一比较器、选频放大模块、高压隔离模块、变压器、发射驱动模块、时间延迟模块组成的循环回路，测量时首先控制发射驱动模块测量超声脉冲返回时间，以时钟周期计数，其中设定延时为0；其次增加延时1/2^n周期，再次测量超声脉冲返回时间，与上述计数结果比较，若计数结果相等则重新采用增加延时1/2^n周期发射触发计数；若计数结果不等则减小延时1/2^n周期发射触发计数，并把计数结果与步骤2第一次采集获得的计数结果比较。添加的白噪声发生器产生的白噪声叠加到延迟模块的比较器中，该部分降低了锯齿波发生器、第二比较器自身产生的噪声的影响。

Description

一种超声传感器及其测量精度的方法

技术领域

本发明涉及一种超声传感器及其测量精度的方法，尤其涉及一种测量精度不受限于时钟晶体的频率的超声传感器及其测量精度的方法。

背景技术

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号通常是电信号的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，超声波传感器频率越小，检测距离越大，而超声传感器的检测精度目前现有的技术取决于时钟晶体的频率，预设值的多少在后期并不能根据实际使用情况做一个跟随调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超声传感器及其测量精度的方法，具有测量精度不受限于时钟晶体的频率的特点。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种超声传感器，其创新点在于：所述超声传感器包括依次串联的MCU处理模块、第一比较器、选频放大模块、高压隔离模块、变压器、发射驱动模块、时间延迟模块组成的循环回路，所述MCU处理模块与所述选频放大模块之间设置有并接在所述第一比较器上的电压基准参照，所述高压隔离与所述变压器之间设置有压电换能器。

优选的，所述时间延迟模块包括分别与锯齿波发生器和DAC模块相连的第二比较器、与所述第二比较器相连的单稳电路，所述单稳电路与发射驱动模块相连，所述DAC模块与SPA信号接口相连。

优选的，所述锯齿波发生器设置脉冲周期为时钟周期。

优选的，所述时间延迟模块上连接有白噪声发生器，所述白噪声发生器包括依次串接的高阻值金属氧化膜电阻、宽频放大器、带通滤波器，所述宽频放大器和所述带通滤波器之间并接有串联设置的增压控制模块和rms检测电路模块。

一种超声传感器测量精度的方法，基于上述的超声传感器，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：控制发射驱动模块测量超声脉冲返回时间，以时钟周期计数，其中设定延时为0；

步骤2：增加延时1/2^n周期，其中n为测量次数，再次测量超声脉冲返回时间，与步骤1计数结果比较，若计数结果相等则重新采用增加延时1/2^n周期发射触发计数；若计数结果不等则减小延时1/2^n周期发射触发计数，并把计数结果与步骤2第一次采集获得的计数结果比较，若计数结果相等则重新采用增加延时1/2^n周期发射触发计数，若计数结果不等则重复减小延时1/2^n周期发射触发计数10次，此时测量结束并输出包含小数的周期计数作为延时时间，供发射驱动模块使用。

本发明的优点在于：本发明相较于传统的超声传感器增加了时间延迟模块和白噪声发生器，本发明采用时间延迟模块采用二分法调整发射延迟时间，直到延时调整分辨率的极限，测量到相邻两个延迟时间会引起计数发生变化，则超声测量的输出时间为计数周期的整数加上发射延时时间，测量精度为延时模块的延时分辨率。该方法将计时周期细分，通过多次测量比较，将测量的时间误差限定在细分的周期内；添加的白噪声发生器产生的白噪声叠加到延迟模块的比较器中，通过多次测量平均，可以将噪声时间测量的不确定性减小到原来的1/2^n，N为测量次数，该部分降低了锯齿波发生器、第二比较器自身产生的噪声的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1本发明一种超声传感器及其测量精度的方法中超声波传感器的结构示意图。

图2是本发明一种超声传感器及其测量精度的方法中时间延迟模块的结构示意图。

图3是本发明一种超声传感器及其测量精度的方法中白噪声发生器的结构示意图。

图4是本发明一种超声传感器及其测量精度的方法中测量方法的流程框图。

具体实施方式

本发明的超声传感器包括依次串联的MCU处理模块、第一比较器、选频放大模块、高压隔离模块、变压器、发射驱动模块、时间延迟模块组成的循环回路，所述MCU处理模块与所述选频放大模块之间设置有并接在所述第一比较器上的电压基准参照，所述高压隔离与所述变压器之间设置有压电换能器。其中时间延迟模块包括分别与锯齿波发生器和DAC模块相连的第二比较器、与所述第二比较器相连的单稳电路，所述单稳电路与发射驱动模块相连，所述DAC模块与SPA信号接口相连，锯齿波发生器设置脉冲周期为时钟周期，时间延迟模块上连接有白噪声发生器，所述白噪声发生器包括依次串接的高阻值金属氧化膜电阻、宽频放大器、带通滤波器，所述宽频放大器和所述带通滤波器之间并接有串联设置的增压控制模块和rms检测电路模块。

超声传感器测量精度的方法，基于上述的超声传感器，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：控制发射驱动模块测量超声脉冲返回时间，以时钟周期计数，其中设定延时为0；步骤2：增加延时1/2^n周期，其中n为测量次数，再次测量超声脉冲返回时间，与步骤1计数结果比较，若计数结果相等则重新采用增加延时1/2^n周期发射触发计数；若计数结果不等则减小延时1/2^n周期发射触发计数，并把计数结果与步骤2第一次采集获得的计数结果比较，若计数结果相等则重新采用增加延时1/2^n周期发射触发计数，若计数结果不等则重复减小延时1/2^n周期发射触发计数10次，此时测量结束并输出包含小数的周期计数作为延时时间，供发射驱动模块使用。

本发明相较于传统的超声传感器增加了时间延迟模块和白噪声发生器，本发明采用时间延迟模块采用二分法调整发射延迟时间，直到延时调整分辨率的极限，测量到相邻两个延迟时间会引起计数发生变化，则超声测量的输出时间为计数周期的整数加上发射延时时间，测量精度为延时模块的延时分辨率。该方法将计时周期细分，通过多次测量比较，将测量的时间误差限定在细分的周期内；添加的白噪声发生器产生的白噪声叠加到延迟模块的比较器中，通过多次测量平均，可以将噪声时间测量的不确定性减小到原来的1/2^n，N为测量次数，该部分降低了锯齿波发生器、第二比较器自身产生的噪声的影响。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种超声传感器，其特征在于：所述超声传感器包括依次串联的MCU处理模块、第一比较器、选频放大模块、高压隔离模块、变压器、发射驱动模块、时间延迟模块组成的循环回路，所述MCU处理模块与所述选频放大模块之间设置有并接在所述第一比较器上的电压基准参照，所述高压隔离与所述变压器之间设置有压电换能器。

2.如权利要求1所述的一种超声传感器，其特征在于：所述时间延迟模块包括分别与锯齿波发生器和DAC模块相连的第二比较器、与所述第二比较器相连的单稳电路，所述单稳电路与发射驱动模块相连，所述DAC模块与SPA信号接口相连。

3.如权利要求1所述的一种超声传感器，其特征在于：所述锯齿波发生器设置脉冲周期为时钟周期。

4.如权利要求1所述的一种超声传感器，其特征在于：所述时间延迟模块上连接有白噪声发生器，所述白噪声发生器包括依次串接的高阻值金属氧化膜电阻、宽频放大器、带通滤波器，所述宽频放大器和所述带通滤波器之间并接有串联设置的增压控制模块和rms检测电路模块。

5.一种超声传感器测量精度的方法，基于权利要求1至4其中任何一项所述的一种超声传感器，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：控制发射驱动模块测量超声脉冲返回时间，以时钟周期计数，其中设定延时为0；

步骤2：增加延时1/2^n周期，其中n为测量次数，再次测量超声脉冲返回时间，与步骤1计数结果比较，若计数结果相等则重新采用增加延时1/2^n周期发射触发计数；若计数结果不等则减小延时1/2^n周期发射触发计数，并把计数结果与步骤2第一次采集获得的计数结果比较，若计数结果相等则重新采用增加延时1/2^n周期发射触发计数，若计数结果不等则重复减小延时1/2^n周期发射触发计数10次，此时测量结束并输出包含小数的周期计数作为延时时间，供发射驱动模块使用。