CN114415161A - 基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统及方法，包括激励电路、超声换能器、接收电路和反馈控制器；激励电路用于根据接收到的激励信号激励超声换能器；超声换能器用于在激励电路的激励下发射超声波或接收目标反射的回波信号；接收电路用于在超声换能器停止发射时接收超声换能器的余振信号，以及接收并处理超声波换能器接收的回波信号；反馈控制器用于在超声换能器停止发射时，根据余振信号生成余振抑制信号，并将余振抑制信号输入激励电路，以供激励电路将余振抑制信号施加至超声换能器，直至余振信号减小到预设阈值。本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统及方法有效减少了超声换能器近距离测距的盲区。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器的技术领域，特别是涉及一种基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统及方法。
背景技术
超声检测技术利用发射超声换能器发射超声波，在不同密度、声速的介质中发生反射、折射、透射等，随后通过接收超声换能器接收超声波，通过对接收到的信号分析即可获取目标信息。目前，该技术被广泛应用于非接触式检测、指纹识别、医疗成像等方面。相较雷达测距、激光测距、红外测距等测距方式，超声波检测技术符合现代非接触式检测、指纹识别和现代医学成像等应用场景精细化、阵列化、微型化及智能化等发展需求。
超声波测距主要通过超声波发射端发射超声波，接收端接收遇到物体反射回来的超声波，通过检测回波的幅值或者相位进而判断物体位置。现有技术中的超声换能器系统包括激励电路、超声换能器和接收电路。激励信号通过激励电路激励超声换能器发射超声波，超声波在遇到目标后被反射回超声换能器，接收电路接收并对超声换能器接收到的回波信号进行处理，产生距离信息。上述系统属于开环系统，结构简单，但是精度不高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感，因此实际使用过程中其效果往往不佳。
TOF(Time of Flight，飞行时间)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。由于TOF模式操作简单、系统要求低，在各种测距场合得到了广泛的应用。TOF测量技术所面临的一个共性问题是超声波换能器在近距离测量时存在工作盲区。超声换能器是一个典型的机电系统，其将电信号转换为振动信号再转换为声信号，或将声信号转换为振动信号再转换为电信号。同其他振动系统一样，在激励停止后，由于惯性，超声换能器并不能马上停止振动，而是以幅值逐渐衰减的自由振动的方式持续振动一段时间，直到残余能量消耗完毕，如图1所示，上述自由振动阶段一般被称为余振或者“拖尾”。若在超声波换能器余振幅值未衰减至一定阈值便接收到超声波回波信号，则超声波回波信号将受到超声波换能器的余振信号的影响，从而导致无法检测超声波回波信号或者影响TOF时间的判断。如图2(a)所示，若在超声波换能器余振幅值未衰减至比超声波回波信号最大幅值小便接收到超声波回波信号，则超声波回波信号将淹没于超声波换能器的余振信号之中，导致无法检测超声波回波信号。如图2(b)所示，若在超声波换能器余振幅值虽衰减至比超声波回波信号最大幅值小但是未衰减至不足以影响回波信号的阈值以下便接收到超声波回波信号，此时虽然能检测到回波信号，但是由于余振幅值未衰减至不足以影响回波信号的阈值以下，此时的回波信号实际为真实回波信号与余振信号的叠加，叠加的信号会发生畸变，从而影响后续TOF计算算法的鲁棒性，影响传感器对距离的判断。超声波换能器激发开始至余振幅值减小至不足以影响回波信号的阈值的时间称之为超声波换能器工作盲区。由于超声波换能器工作盲区的存在限制了超声波在近距离测距的测距范围。
现有技术中，超声换能器余振以及盲区的解决方案主要通过以下两个方面的改进：
一、超声换能器结构的改进
(1)隔离/隔振结构改进，如专利CN 203178487 U、CN 204422750U、CN110873873A、WO2019051921A1提出的方案，通过将超声换能器发射端和接收端隔离或者在发射端设置隔振结构，削弱发射端对接收端的影响。
(2)吸收后向辐射声波，如专利CN 103691654 B提出的方案，将背衬层的反射面设置为斜率连续变化的碗状形状，后向辐射声波在背衬层中沿各个角度多次反射，以至于大部分消散或被吸收，从而有效抑制换能器向后辐射声波，减小换能器余振。
然而，结构方面的改进虽然可以起到一定的作用，但其并不能完全消除余振的影响，并且大大增加了结构的复杂程度。
二、超声换能器系统的改进
(1)调整激励信号强度，如专利CN 101173986 B、CN 102749108 B、CN 104180860B、CN 104154961 B、CN 107390203 B提出的方案，激励电压越高产生的超声波能量越强，但是随着超声换能器振动变强，带来的余振将会越强。上述专利通过在远距离测距时使用强度较高的超声波，近距离测距时使用强度较低的超声波，用以解决由近距离处较强超声信号带来的干扰所形成大盲区的问题。但是减小了发射能量将导致发射的超声波强度减小，回波的能量也会随之减小，将导致传感器的信噪比降低。
(2)调整激励信号频率，如专利CN 108333590 A、CN 110850416 A、US2010036618A1所提出的方案，由于激励频率越接近超声换能器本征频率，超声换能器的振动越强，产生的超声波也会越强，但是余振同样也会越强。上述专利通过调节激励信号的频率，通过使用根据不同的距离使用不同频率的超声波进行测距的方法，降低了短距离测距中的盲区误差，提升了短距离测距的精度。但是未使用超声换能器本征频率激励同样会导致发射的超声波强度减小，从而降低传感器信噪比。
(3)调整发射信号组成，如专利CN 108519592 A提出的方案，通过在激励后对超声换能器施加若干和激励信号反相的信号来加快超声换能器上余振的衰减速度，从而减小超声测距中的盲区。但是反相脉冲数设置严重依赖经验以及环境，数目设置不当将会导致换能器在余振停止后，反相信号并未停止，反相信号激励换能器继续振动的情况。
(4)调整电路结构，如专利CN 102621552 B、CN 102749109 B所提出的方案，通过调整电路结构，用以避免驱动信号输入到后续的放大电路中可能引起的自激振荡或者实现余震能量的加速消耗。但是其增加了电路的复杂程度。
(5)后端信号处理，如专利CN 104823072 B、CN 105699975 B、CN 106483526 A、CN108572365 A、US10031217B2所提出的方案，通过对接收到的信号进行处理，用以消除余振信号，提取回波信号。但是实际信号非常容易淹没在噪声以及余振信号中，上述方法增大了信号采集和信号处理的难度。
综上，超声换能器的余振是导致超声换能器盲区的主要原因，但是现有技术没有抑制超声换能器余振的解决方案，导致无法从根本上解决超声换能器的盲区问题。现有技术中的大部分方法是仅仅只是削弱余振的影响，但同时也带来了传感器信噪比减低、结构/电路复杂程度增加、信号处理难度增加等问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统及方法，利用反馈系统实现对超声换能器余振的削弱，从而减少了超声换能器近距离测距的盲区。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统，包括激励电路、超声换能器、接收电路和反馈控制器；所述激励电路用于根据接收到的激励信号激励所述超声换能器；所述超声换能器与所述激励电路相连，用于在所述激励电路的激励下发射超声波或接收目标反射的回波信号；所述接收电路与所述超声换能器相连，用于在所述超声换能器停止发射时接收所述超声换能器的余振信号，以及接收并处理所述超声波换能器接收的回波信号；所述反馈控制器与所述接收电路和所述激励电路相连，用于在所述超声换能器停止发射时，根据所述余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路，以供所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，直至所述余振信号减小到预设阈值。
于本发明一实施例中，还包括开关模块，所述开关模块在所述超声换能器进行发射时将所述激励信号和所述激励电路连通，在所述超声换能器停止发射时将所述反馈控制器和所述激励电路连通。
于本发明一实施例中，所述反馈控制器采用比例控制器、比例-微分控制器、比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
于本发明一实施例中，所述激励信号采用正弦信号、余弦信号或方波信号。
于本发明一实施例中，所述余振信号采用电压、位移、速度或加速度来生成。
本发明提供一种基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法，包括以下步骤：
当激励信号输入激励电路时，基于所述激励电路激励超声波换能器，以使所述超声波换能器发射超声波，并基于接收电路接收所述超声波；
当所述激励信号终止时，基于所述接收电路接收所述超声换能器的余振信号；基于反馈控制器根据所述余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路，以供所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，直至所述余振信号减小到预设阈值。
于本发明一实施例中，基于开关模块实现所述激励电路与所述激励信号的连通和所述激励电路与所述反馈控制器的连通的切换。
于本发明一实施例中，所述反馈控制器采用比例控制器、比例-微分控制器、比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
于本发明一实施例中，所述激励信号采用正弦信号、余弦信号或方波信号。
于本发明一实施例中，所述余振信号采用电压、位移、速度或加速度来生成。
如上所述，本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统及方法，具有以下有益效果：
(1)将超声波余振信号反馈至反馈控制器，通过反馈控制器产生的余振抑制信号，对超声换能器施加余振抑制信号，从而能够快速衰减余振，解决了由于超声换能器余振带来的近距离测距盲区的问题；
(2)由于采用闭环系统，故不论是输入信号的变化，或者干扰的影响，或者系统内部参数的改变，只要是被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去消除偏差，从而使得基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统抗干扰能力强，对参数变化不敏感；
(3)采用超声换能器本身的余振信号作为反馈输入，由于余振信号本身就是逐渐衰减的信号，从而根据此余振信号生成的余振抑制信号也是逐渐衰减的信号，使得超声换能器的余振逐渐衰减，不会产生余振已经停止但是抑制信号并未停止，从而导致的超声换能器被抑制信号重新激励的问题。
附图说明
图1显示为超声换能器激励阶段的波形于一实施例中的波形示意图；
图2(a)显示为回波信号被余振信号淹没于一实施例中的波形示意图；
图2(b)显示为回波信号因余振信号畸变于一实施例中的波形示意图；
图3显示为本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统于一实施例中的结构示意图；
图4本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法于一实施例中的流程图；
图5显示为基于现有技术的开环超声换能器系统时采集到的超声波信号于一实施例中的示意图；
图6显示为基于本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统采集到的超声波信号于一实施例中的示意图。
元件标号说明
1 激励电路
2 超声换能器
3 接收电路
4 反馈控制器
5 开关模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统及方法通过构建闭环的反馈系统，采用超声波余振信号生成的余振抑制信号来对超声换能器的余振进行抑制，从而能够快速衰减余振，解决了由于超声换能器余振带来的近距离测距盲区的问题，极具实用性。
如图3所示，于一实施例中，本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统包括激励电路1、超声换能器2、接收电路3和反馈控制器4。
所述激励电路1用于根据接收到的激励信号激励所述超声换能器2。具体地，所述激励电路1在接收到激励信号时，能够驱动所述超声换能器2进行超声波的发射。于本发明一实施例中，所述激励信号采用正弦信号、余弦信号或方波信号，可由正弦发生器、余弦发生器或方波发生器提供。
所述超声换能器2与所述激励电路1相连，用于在所述激励电路1的激励下发射超声波，或接收目标反射的回波信号。
所述接收电路3与所述超声换能器2相连，用于在所述超声换能器2停止发射时接收所述超声换能器的余振信号，还用于接收和处理所述超声波换能器2接收的回波信号。
具体地，所述接收电路3能够在所述超声换能器2停止超声波发射时，能够接收所述超声换能器2的余振信号。同时，接收电路3还能够接收和处理所述超声波换能器2接收的回波信号。
所述反馈控制器4与所述接收电路3和所述激励电路1相连，用于在所述超声换能器2停止发射时，根据所述余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路1，以供所述激励电路1将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器2，直至所述余振信号减小到预设阈值。
具体地，当所述接收电路3接收到所述余振信号时，将所述余振信号传送至所述反馈控制器4，所述反馈控制器4根据所述余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路1，所述激励电路1再将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器2。由于所述余振抑制信号可以使所述超声换能器2产生与余振阶段运动相反的加速度，故能够抑制所述超声换能器2的余振。一直进行反馈调节，直至所述余振信号减小到预设阈值，即所述余振信号幅值减小至不足以影响回波信号的阈值以下。
以压电微机械超声换能(pMUT，piezoelectric Micromechanical UltrasonicTransducer)为例，pMUT可以等效为质量-弹簧-阻尼系统，同时考虑其压电效应，其动力学方程为：
其中M为等效质量，bm为阻尼系数，K，为弹簧系数。wb(t)为系统内由于逆压电效应产生的变形量(部件间的相对位移量)，w(t)为系统向外界输出的位移量。压电单元与驱动电路相连，其两端电压设为V(t)，与负载R并联连接，ΘbcV(t)为电压V(t)所产生的压电耦合力，Θbc为后向耦合常数。Cpe为压电层电极间有效的电容量；Θfc为前向耦合常数。对上述两个微分方程式求解，可得
在所述激励信号结束后，pMUT处于自由振动阶段，此时V(t)＝0，上式可化为
则
其中
A0为pMUT的初始位移。
当所述激励信号结束后再对pMUT施加电压激励，此处以与pMUT自由振动阶段相同的余弦信号作为激励，设为
则可得
令
则上式可化为
再令
则
经计算，上述二阶微分方程的解为
其中
A0为pMUT的初始位移，
当pMUT在谐振频率下工作时，
此时，振动幅值为
位移为
比较两次得到的位移w，可知，在停止所述激励信号之后，可以将pMUT振动位移用作反馈信号，并且对位移信号进行适当的增益可以生成振动抑制信号。然后，使用振动抑制信号来激励pMUT即可实时抑制pMUT的振动。此时，
是停止激励后pMUT的自由振动项，
是由振动抑制信号生成的pMUT位移的附加衰减项。上述推导可证明引入一条反馈支路用于减小超声换能器余振的技术方案在理论上的正确性。另外，由于超声换能器获取的电压信号与超声换能器振动的加速度呈正相关，而超声换能器振动的加速度与超声换能器振动的位移是二阶导数关系。在实际应用中，超声换能器的位移信号、速度信号、加速度信号、电压信号均可作为反馈信号，仅需对非位移信号进行一定的反相、延迟处理之后其与以位移作为反馈的效果一样。因此，所述余振信号还可以采用电压、速度或加速度来生成。
于本发明一实施例中，所述反馈控制器采用比例控制器、比例-微分控制器、比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。因此，所述余振信号可以通过比例放大、反向、微分、积分、中的一种或多种方式生成所述余振抑制信号。
于本发明一实施例中，基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统还包括开关模块5，所述开关模块5在所述超声换能器2进行发射时将所述激励信号和所述激励电路1连通，在所述超声换能器2停止发射时将所述反馈控制器4和所述激励电路1连通。具体地，所述开关模块为可切换开关，一端与所述激励电路相连，另一端在所述超声换能器进行发射时与所述激励信号相连，在所述超声换能器停止发射时与所述反馈控制器相连，从而实现所述激励电路上输入的激励信号和余弦抑制信号的切换。
于一实施例中，本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法包括以下步骤：
步骤S1、当激励信号输入激励电路时，基于所述激励电路激励超声波换能器，以使所述超声波换能器发射超声波，并基于接收电路接收所述超声波。
具体地，在所述超声换能器正常发射超声波阶段，所述激励信号输入所述激励电路，所述激励电路驱动所述超声波换能器，所述超声波换能器发射所述超声波，所述接收电路接收所述超声波。
步骤S2、当所述激励信号终止时，基于所述接收电路接收所述超声换能器的余振信号；基于反馈控制器根据所述余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路，以供所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，直至所述余振信号减小到预设阈值。
具体地，在所述超声换能器停止发射超声波阶段，所述超声换能器感知自身余振产生余振信号，所述接收电路接收所述余振信号并发送至所述反馈控制器，所述反馈控制器根据所述余振信号生成所述余振抑制信号并输入所述激励电路；所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，所述超声换能器产生与余振阶段运动相反的加速度，故能够抑制所述超声换能器的余振。一直进行反馈调节，直至所述余振信号减小到预设阈值，即所述余振信号幅值减小至不足以影响回波信号的阈值以下。
如图4所示，于本发明一实施例中，基于开关模块实现所述激励电路与所述激励信号的连通和所述激励电路与所述反馈控制器的连通的切换。具体地，所述开关模块为可切换开关，一端与所述激励电路相连，另一端在所述超声换能器进行发射时切换至所述激励信号，在所述超声换能器停止发射时切换至所述反馈控制器，从而实现所述激励电路上输入的激励信号和余弦抑制信号的切换。
将本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法实际应用于超声波传感器中，并将该传感器用于TOF测距，图5所示为采用开环超声换能器系统时采集到的超声波信号。从图中可以看出，回波信号发生了畸变。该畸变是由于超声波余振产生的“拖尾”，回波信号与余振信号叠加后产生的，该畸变将会影响TOF判断的准确性，从而影响测距精度。图6所示为采用了本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法采集到的超声波信号。从图中可以看出，超声波回波波形完整，没有发生畸变，可以根据回波波形判断回波到达时间从而计算距离。因此可知，在近距离测距时，传统开环超声换能器系统会由于余振的影响无法准确获得距离信息，而本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法所涉及的基于传递函数的反馈系统由于抑制了余振，可以使传统开环超声换能器系统无法检测的距离被检测到，减小了超声换能器的盲区，在实际应用中具有实用性。
综上所述，本发明的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统及方法将超声波余振信号反馈至反馈控制器，通过反馈控制器产生的余振抑制信号，对超声换能器施加余振抑制信号，从而能够快速衰减余振，解决了由于超声换能器余振带来的近距离测距盲区的问题；由于采用闭环系统，故不论是输入信号的变化，或者干扰的影响，或者系统内部参数的改变，只要是被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去消除偏差，从而使得基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统抗干扰能力强，对参数变化不敏感；采用超声换能器本身的余振信号作为反馈输入，由于余振信号本身就是逐渐衰减的信号，从而根据此余振信号生成的余振抑制信号也是逐渐衰减的信号，使得超声换能器的余振逐渐衰减，不会产生余振已经停止但是抑制信号并未停止，从而导致的超声换能器被抑制信号重新激励的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统，其特征在于：包括激励电路、超声换能器、接收电路和反馈控制器；
所述激励电路用于根据接收到的激励信号激励所述超声换能器；
所述超声换能器与所述激励电路相连，用于在所述激励电路的激励下发射超声波或接收目标反射的回波信号；
所述接收电路与所述超声换能器相连，用于在所述超声换能器停止发射时接收所述超声换能器的余振信号，以及接收并处理所述超声波换能器接收的回波信号；
所述反馈控制器与所述接收电路和所述激励电路相连，用于在所述超声换能器停止发射时，根据所述余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路，以供所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，直至所述余振信号减小到预设阈值。
2.根据权利要求1所述的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统，其特征在于：还包括开关模块，所述开关模块在所述超声换能器进行发射时将所述激励信号和所述激励电路连通，在所述超声换能器停止发射时将所述反馈控制器和所述激励电路连通。
3.根据权利要求1所述的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统，其特征在于：所述反馈控制器采用比例控制器、比例-微分控制器、比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
4.根据权利要求1所述的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统，其特征在于：所述激励信号采用正弦信号、余弦信号或方波信号。
5.根据权利要求1所述的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的系统，其特征在于：所述余振信号采用电压、位移、速度或加速度来生成。
6.一种基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法，其特征在于：包括以下步骤：
当激励信号输入激励电路时，基于所述激励电路激励超声波换能器，以使所述超声波换能器发射超声波，并基于接收电路接收所述超声波；
当所述激励信号终止时，基于所述接收电路接收所述超声换能器的余振信号；基于反馈控制器根据所述余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路，以供所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，直至所述余振信号减小到预设阈值。
7.根据权利要求6所述的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法，其特征在于：基于开关模块实现所述激励电路与所述激励信号的连通和所述激励电路与所述反馈控制器的连通的切换。
8.根据权利要求6所述的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法，其特征在于：所述反馈控制器采用比例控制器、比例-微分控制器、比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
9.根据权利要求6所述的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法，其特征在于：所述激励信号采用正弦信号、余弦信号或方波信号。
10.根据权利要求6所述的基于反馈系统减小超声换能器余振和盲区的方法，其特征在于：所述余振信号采用电压、位移、速度或加速度来生成。
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