CN111880183A - 一种多工作模式的超声换能器测距系统 - Google Patents

一种多工作模式的超声换能器测距系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超声换能器测距技术，具体涉及一种多工作模式的超声换能器测距系统，包括换能器阵列模块，与换能器阵列模块连接的选择器/开关模块，分别与选择器/开关模块连接的三种工作模式模块和处理器模块，与处理器模块连接的外设模块，处理器模块与三种工作模式模块连接。该系统将ToF模式、单频相位模式和多频相位模式这三种工作模式通过选择器/开关模块联合起来，集成于一个超声换能器测距系统中，利用三种不同工作模式的优势来补偿三种不同工作模式的劣势，在扩大测距有效范围的同时，消除了近场最小距离的盲区限制，提升了超声换能器测距系统的测距范围和精度。

Description

一种多工作模式的超声换能器测距系统
技术领域
本发明属于超声换能器测距技术领域，尤其涉及一种多工作模式的超声换能器测距系统。
背景技术
超声换能器是既可以用来发射又可以用来接收超声波的换能元件。当处于发射状态时，电能通过静电力或逆压电效应转换为换能器的振动从而向外辐射声波；当处于接收状态时，声压作用在换能器表面使其振动，换能器再将振动转换为电信号。现有的超声测距工作模式一般分为三种：ToF(Time of Flight)模式，单频相位模式和多频相位模式。ToF模式是最常用的一种测距模式，通过测量超声波发射与接收之间的时间差，进而利用时间、声速和距离之间的关系计算出距离。单频相位模式是采用单一的发射频率和与之对应的单一的接收频率，通过测量发射波与回波之间的相位差，进而利用相位、波长和距离之间的关系计算出距离。多频相位模式是采用多种(两种或者两种以上)不同的发射频率和与之对应的多种接收频率，通过分别测量多束发射波与回波之间的相位差和频率差，进而利用相位差、频率差、声速和距离之间的关系计算出距离。其中，ToF模式操作简单，但精度较低，且受最小距离的盲区限制；单频相位模式精度较高，但有效距离较短，受最大距离的盲区限制；多频相位模式操作较复杂，受最大距离的盲区限制，但扩大了有效距离范围。
在传统的超声测距系统中，由于超声换能器的谐振频率恒定，换能器只能发射一种频率的超声波，因而测距系统一般只采用其中一种工作模式，测距的范围和精度往往较差，要么受近场最小距离的盲区限制，要么受远场最大距离的盲区限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种多工作模式的超声换能器测距系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多工作模式的超声换能器测距系统，包括换能器阵列模块，与换能器阵列模块连接的选择器/开关模块，分别与选择器/开关模块连接的三种工作模式模块和处理器模块，与处理器模块连接的外设模块，处理器模块与三种工作模式模块连接。
在上述的多工作模式的超声换能器测距系统中，换能器阵列模块为换能器设置的点状、线状、矩形状或者圆形状阵列。
在上述的多工作模式的超声换能器测距系统中，换能器采用压电超声换能器或电容超声换能器。
在上述的多工作模式的超声换能器测距系统中，三种工作模式模块包括ToF模式模块、单频相位模式模块和多频相位模式模块。
在上述的多工作模式的超声换能器测距系统中，ToF模式模块包含前置放大电路、滤波电路、时变增益放大电路和信号检测电路；用于通过测量超声波发射与接收之间的时间差，利用时间、声速和距离之间的关系计算距离。
在上述的多工作模式的超声换能器测距系统中，单频相位模式模块包含锁相环、放大电路、滤波电路和A/D转换电路；用于采用单一的超声波发射频率和与之对应的接收频率，通过测量发射波与回波之间的相位差，利用相位、波长和距离之间的关系计算距离。
在上述的多工作模式的超声换能器测距系统中，多频相位模式模块包含锁相环、放大电路、滤波电路和A/D转换电路；用于采用至少2种不同的发射频率和与之对应的接收频率，通过分别测量多束发射波与回波之间的相位差和频率差，利用相位差、频率差、声速和距离之间的关系计算距离。
在上述的多工作模式的超声换能器测距系统中，选择器/开关模块选用2-4线译码器。
在上述的多工作模式的超声换能器测距系统中，处理器模块包含微处理器和存储器，微处理器选用单片机或者FPGA。
在上述的多工作模式的超声换能器测距系统中，外设模块包括显示屏、按键、报警器或者语音播报器；用于设置设备参数、显示测距结果和扩展功能模块接口。
本发明的有益效果：本发明将ToF模式、单频相位模式和多频相位模式这三种工作模式通过选择器/开关模块联合起来，集成于一个超声换能器测距系统中，利用三种不同工作模式的优势来补偿三种不同工作模式的劣势，在扩大测距有效范围的同时，消除了近场最小距离的盲区限制，提升了超声换能器测距系统的测距范围和精度。
附图说明
图1为本发明一个实施例一种多工作模式的超声换能器测距系统的模块框图；
图2为本发明一个实施例ToF模式的测距原理示意图；
其中，101-超声波发射机的超声换能器或其阵列，102-超声波接收机的超声换能器或其阵列；201-ToF模式发射的超声波；202-ToF模式反射的超声波；
图3为本发明一个实施例单频相位模式的测距原理示意图；
其中，301-单频相位模式发射的超声波；302-单频相位模式反射的超声波；
图4为本发明一个实施例双频相位模式的测距系统示意图；
401-多频相位模式发射的较低频超声波，402-多频相位模式反射的较低频超声波，403-多频相位模式发射的较高频超声波，404-多频相位模式反射的较高频超声波；
图5为本发明一个实施例选择器/开关模块中可使用的2-4线译码器的电路原理图；
图6为本发明一个实施例选择器/开关模块中可使用的2-4线译码器的真值表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例通过设计可调频的超声换能器，该换能器的谐振频率可根据需要做出调整，从而发射不同频率的超声波；同时设计配合其使用的多工作模式的超声换能器测距系统，协同ToF模式、单频相位模式以及多频相位模式，在扩大有效范围的同时，消除近场最小距离的盲区限制，进一步提升测距的范围和精度。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种多工作模式的超声换能器测距系统，该系统包括：由多个超声换能器组成的换能器阵列模块，换能器阵列模块的作用是发射或者接收超声波。
并且，换能器阵列可以设置为点状、线状、矩形状或者圆形状。
并且，超声换能器可以为压电超声换能器、电容超声换能器，或者其他可以类型可以发射超声波的换能器。超声换能器可根据不同激发频率发射或者接收不同频率的超声波。
并且，三种工作模式模块，分别为ToF(time-of-flight)模式、单频相位模式和多频相位模式。
并且，ToF模式通过测量超声波发射与接收之间的时间差，进而利用时间、声速和距离之间的关系计算出距离。ToF模式包含前置放大电路、滤波电路、时变增益放大电路、信号检测电路等。
并且，单频相位模式采用单一的超声波发射频率和与之对应的单一的接收频率，通过测量发射波与回波之间的相位差，进而利用相位、波长和距离之间的关系计算出距离。所述单频相位模式包含锁相环、放大电路、滤波电路和A/D转换电路等。
并且，多频相位模式采用多种(两种或者两种以上)不同的发射频率和与之对应的多种接收频率，通过分别测量多束发射波与回波之间的相位差和频率差，进而利用相位差、频率差、声速和距离之间的关系计算出距离。所述多频相位模式包含锁相环、放大电路、滤波电路和A/D转换电路等。
并且，选择器/开关模块，所述选择器/开关模块由微处理器控制，根据测距的大小需求，选择适合的工作模式，以达到最佳的测距效果。
进一步地，所述选择器/开关模块可以通过2-4线译码器、搭建门电路或者使用处理器模块编写程序实现三选一功能。
并且，处理器模块是该系统的控制和信号处理核心，包含微处理器和存储器，主要作用是控制选择器/开关模块，以及对回波信号进行处理从而提取有用信息，并可以连接外设模块。处理器模块使用单片机或者FPGA作为微处理器。
并且，外设模块的作用主要包括设置设备参数、显示测距结果和扩展功能模块接口。外设模块可以连接显示屏、按键、报警器或者语音播报器等设备。
具体实施时，如图1所示，为超声换能器测距系统的模块框图，由超声换能器组成换能器阵列，超声换能器既能作为超声波发射器又能作为超声波接收器，超声换能器既能被单独激发，也能被多个同时激发，或者被顺序激发。本实施例中选择器/开关模块选用2-4线译码器。选择器/开关模块连接着换能器阵列、处理器模块以及三种工作模式模块(分别为ToF模式、单频相位模式和多频相位模式)。处理器模块根据测距场景需求，控制选择器/开关模块选择适合的工作模式，是整个系统的控制和信号处理核心。处理器模块与外设模块相连接，外设模块可以装置显示屏、警报器等设备，当换能器或其阵列接收到回波信号后，处理器模块对回波信号进行处理并提取有用信号，并可以通过外设模块进行显示或播报。
如图2所示，为ToF模式的测距原理示意图。当处于ToF模式时，超声换能器既可以作为发射机又可以作为接收机。图2中超声波接收机的超声换能器或其阵列102为超声波发射机的超声换能器或其阵列101关于目标的镜像，由于超声波的发射传播路径与遇障碍物后的反射传播路径方向相反、距离相等，为了使示意图更直观易懂，故使用镜像加以说明实施例。当超声波发射机的超声换能器或其阵列101发射出中心频率为f0的ToF模式发射的超声波201时，处理器模块开始计时，此时记为t0，当超声波接收机的超声换能器或其阵列102接收到反射的中心频率为f0的ToF模式发射的超声波202时，处理器模块停止计时，此时记为t1，距离记为L，声速记为c0，那么测距公式：
Figure BDA0002605582070000061
由于当处于发射状态时，换能器不能同时接收回波，所以会有一段屏蔽接收的时间，记为t’，从而导致最小距离的盲区限制，那么盲区距离公式：
Figure BDA0002605582070000071
如图3所示，为单频相位模式的测距原理示意图。当超声波发射机的超声换能器或其阵列101发射出中心频率为f1单频相位模式发射的超声波301时，处理器模块记录此时单频相位模式发射的超声波301的相位
Figure BDA0002605582070000072
当超声波接收机的超声换能器或其阵列102接收到反射的中心频率为f1的单频相位模式反射的超声波302时，处理器模块记录此时单频相位模式反射的超声波302的相位
Figure BDA0002605582070000073
所以相位差：
Figure BDA0002605582070000074
那么测距公式：
Figure BDA0002605582070000075
由于只有在
Figure BDA0002605582070000076
不超过2π时利用相位差测量才是不模糊的，因此最大距离的盲区为λ/2。
如图4所示，为多频相位模式的测距原理示意图，为便于理解，选取双频，即采用两种不同频率的超声波。超声波发射机的超声换能器或其阵列101发射出第一束中心频率为f2且初相位为零的多频相位模式发射的较低频超声波401时，处理器模块记录此时多频相位模式发射的较低频超声波401的相位
Figure BDA0002605582070000077
当超声波接收机的超声换能器或其阵列102接收到第一束反射的中心频率为f2的多频相位模式反射的较低频超声波402时，处理器模块记录此时多频相位模式反射的较低频超声波402的相位
Figure BDA0002605582070000078
超声波发射机的超声换能器或其阵列101发射出第二束中心频率为f3的多频相位模式发射的较高频超声波403时，处理器模块记录此时多频相位模式发射的较高频超声波403的相位
Figure BDA0002605582070000079
当超声波接收机的超声换能器或其阵列102接收到第二束反射的中心频率为f3的多频相位模式反射的较高频超声波404时，处理器模块记录此时多频相位模式反射的较高频超声波404的相位
Figure BDA0002605582070000081
所以相位差：
Figure BDA0002605582070000082
频率差：
Δf＝f3-f2
那么测距公式：
Figure BDA0002605582070000083
由于在
Figure BDA0002605582070000084
不超过2π时相位差测量才是不模糊的，因此最大模糊距离为c0/2△f。
三种工作模式各有利弊：对于ToF模式，可测量的距离范围较大，但测量精度较低，且受到最小距离的盲区限制，即如果目标障碍物距离换能器阵列太近，则无法得出测距结果；对于单频相位模式，测量精度较高，不受最小距离的盲区限制，但受最大距离的盲区限制，即如果目标障碍物距离换能器阵列太远，则无法得出准确的测距结果；对于多频相位模式，测量精度可通过改变不同频率个数来调节，不受最小距离的盲区限制，依旧受最大距离的盲区限制，但可测量的距离范围大于单频相位模式。
当目标障碍物的距离较远，选择ToF模式。当目标障碍物的距离较近，首先选择单频相位模式，判断所得测距结果是否合理，如果所得测距结果不合理或者目标障碍物的距离大于单频相位模式的有效测距范围，则可以切换为多频相位模式，增大有效测距范围，得到合理的测距结果。根据测距场景需求，选择适合的工作模式，即可互相补偿三种不同工作模式的盲区劣势。
如图5、图6所示，为2-4线译码器的电路原理图和真值表。A1A0表示为2-4线译码器的输入端，D3D2D1D0表示为2-4线译码器的输出端。2-4线译码器的输入端连接处理器模块的输出端，2-4线译码器的输出端连接三种工作模式模块的输入端。A1A0的输入值由处理器模块控制，有四种状态分别为：00，01，10和11，分别对应着D3D2D1D0的四种输出状态：0001，0010，0100和1000。设定ToF模式对应D0、单频相位模式对应D1，多频相位模式对应D2，全关断模式对应D3，即当A1A0为00时，D3D2D1D0为0001，选中ToF模式；当A1A0为01时，D3D2D1D0为0010，选中单频相位模式；当A1A0为10时，D3D2D1D0为0100，选中多频相位模式；当A1A0为11时，D3D2D1D0为1000，三种工作模式全关断，停止测距。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，包括换能器阵列模块，与换能器阵列模块连接的选择器/开关模块，分别与选择器/开关模块连接的三种工作模式模块和处理器模块，与处理器模块连接的外设模块，处理器模块与三种工作模式模块连接。
2.如权利要求1所述的多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，换能器阵列模块为换能器设置的点状、线状、矩形状或者圆形状阵列。
3.如权利要求2所述的多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，换能器采用压电超声换能器或电容超声换能器。
4.如权利要求1所述的多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，三种工作模式模块包括ToF模式模块、单频相位模式模块和多频相位模式模块。
5.如权利要求4所述的多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，ToF模式模块包含前置放大电路、滤波电路、时变增益放大电路和信号检测电路；用于通过测量超声波发射与接收之间的时间差，利用时间、声速和距离之间的关系计算距离。
6.如权利要求4所述的多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，单频相位模式模块包含锁相环、放大电路、滤波电路和A/D转换电路；用于采用单一的超声波发射频率和与之对应的接收频率，通过测量发射波与回波之间的相位差，利用相位、波长和距离之间的关系计算距离。
7.如权利要求4所述的多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，多频相位模式模块包含锁相环、放大电路、滤波电路和A/D转换电路；用于采用至少2种不同的发射频率和与之对应的接收频率，通过分别测量多束发射波与回波之间的相位差和频率差，利用相位差、频率差、声速和距离之间的关系计算距离。
8.如权利要求1所述的多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，选择器/开关模块选用2-4线译码器。
9.如权利要求1所述的多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，处理器模块包含微处理器和存储器，微处理器选用单片机或者FPGA。
10.如权利要求1所述的多工作模式的超声换能器测距系统，其特征是，外设模块包括显示屏、按键、报警器或者语音播报器；用于设置设备参数、显示测距结果和扩展功能模块接口。
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