CN1767225A - 组合式超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。本发明由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT－5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。

Description

组合式超声波换能器

技术领域

本发明涉及超声波测距换能器，尤其是可用于检测远距离高速移动目标的宽频带超声波换能器。

背景技术

超声波具有束射和反射特性，基本上可以沿直线传播，其能量远远大于相同振幅的低频声波，非接触式超声测距换能器正是利用超声波的这种特性而制成的。在空气介质中，超声测距换能器的性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响，而且价格低廉、使用方便，因此，在物位测量、车辆与机器人自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系统乃至地形地貌探测等许多领域，超声测距换能器有着广泛的用途。然而，超声波换能器的短作用距离和窄频带等缺陷，一直是扩大超声波换能器应用范围的瓶颈问题。中国传感器网(www.chinasensors.com)公布了目前国内市面销售的圆盘式超声波换能器，其测量范围均小于15m，频带宽度小于4kHz。国外公司的超声波传感器网(www.airmar.com)公布了气介式超声波换能器，其测量范围为30m，频带宽度小于4kHz。超声波换能器的作用距离太短和频带太窄，限制了这类换能器在无人作战坦克、车辆安全行驶辅助系统和交通流量管理系统中的应用。因为在这些系统中，不但要求超声波换能器能够测量远距离目标，还要求超声波换能器能够测量快速移动目标。考虑到多普勒效应，如果超声波换能器的频带太窄，被快速运动目标反射回来的回波信号的频率很可能落入换能器的带宽之外，使换能器无法检测到回波信号。因此研制和开发作用距离大、频带宽的超声波换能器成为国内外普遍关注的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。该换能器的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。

本发明的技术方案是：本发明是由外壳、匹配层(即声窗)、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal(铙钹)阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。

压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，直径为Φ90mm，厚度为12mm，工作频率为23.5kHz，谐振阻抗约为500Ω，从压电陶瓷圆盘换能器接出的引出电缆成为SIG1和SIG2，与圆盘式换能器的驱动电路相连。

Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。Cymbal换能器的多少与压电陶瓷圆盘换能器的大小和换能器对回波的接收灵敏度有关，Cymbal换能器越多，接收灵敏度越高。金属圆环的内直径均为Φ94mm，外直径均为Φ120mm，圆环厚度为1mm。橡胶垫圈分别垫在金属圆环外圆环的内侧和内圆环的外侧，Cymbal换能器均匀分布在垫有橡胶垫圈的内外圆环之间。引出电缆从Cymbal阵列接收器引出，与Cymbal阵列接收器的接收电路相连。

Cymbal换能器由两只铙钹形金属薄壳夹持一枚厚度方向极化的压电陶瓷圆片组成，并用环氧树脂胶粘接在一起。压电陶瓷圆片的半径R₀为6mm，厚度为1mm；铙钹形金属薄壳用厚度为0.30mm的高弹性铍青铜(QBe1.9)带材制成。铙钹形金属薄壳外缘半径与压电陶瓷圆片的半径相等，也为6mm，内腔的底面半径R₁＝5mm，顶面半径R₂＝1.5mm，高度H＝0.4mm。这些几何参数和材料的改变，将影响Cymbal换能器的谐振模态。

本发明的工作原理是：以中心频率为23.5kHz高压脉冲信号或超声频信号激励圆盘式压电陶瓷换能器，使之向外发送超声波；利用圆盘式压电陶瓷换能器和Cymbal换能器及其接收电路，共同接收由目标反射回来的回波信号。由于Cymbal换能器结构小、接收灵敏度高，故可用于接收由多普勒效应产生20～30kHz之间的回波信号，Cymbal换能器能够感知的回波信号的上限频率f_H＝30kHz，能够感知的回波信号的下限频率f_L＝20kHz。

采用本发明能产生以下技术效果：

1.对于静态目标，超声波回波信号不发生多普勒频偏，本发明中的两类换能器共同接收波信号，增大了超声波接收器的输出，本发明与发射电路及接收电路一起构成超声波测距换能器，其作用距离大于35m；

2.对于移动目标的测量分两种情况，当目标靠近换能器所在位置时，本发明能够测量移动目标的最大速度v_f为

$v_f=\frac{(f_H-f_c)\·c}{2f_c}\≈170(\mathrm{km}/\mathrm{hr})$

式中，f_H为Cymbal换能器所能感知的回波信号的上限频率，f_H＝30kHz；f_c为圆盘换能器发送超声波信号的中心频率，f_c＝23.5kHz；c为声波在空气中的传播速度，c≈340m/s；

当目标远离换能器所在位置时，组合式超声波探头能够测量移动目标的最大速度v_a为

$v_a=\frac{(f_c-f_L)c}{2f_c}\≈91(\mathrm{km}/\mathrm{hr})$

式中，f_L为Cymbal换能器所能感知的回波信号的下限频率，f_L＝20kHz。

如果不采用本发明组合式换能器结构，而仅仅采用背景技术所公布的圆盘换能器结构，由于其频带仅为4kHz，故只能探测慢速移动目标。假设圆盘换能器的中心频率为f_c＝23.5kHz，由于其可敏感的回波信号的上限频率为f_H＝25.5kHz，下限频率为f_L＝21.5kHz，故有

$v_f=\frac{(f_H-f_c)\·c}{{2f}_c}=\frac{(25.5-23.5)\·340}{2\·23.5}\≈52(\mathrm{km}/\mathrm{hr})$

$v_a=\frac{(f_c-f_L)c}{2f_c}=\frac{(23.5-21.5)\·340}{2\·23.5}\≈52(\mathrm{km}/\mathrm{hr})$

因此，与一般的圆盘换能器比较，本发明能检测速度更高的远距离移动目标。

附图说明

图1是国产圆盘式换能器的典型结构。

图2是AIRMAR圆盘式超声波换能器的典型结构。

图3是本发明组合式换能器的结构图。

图4是Cymbal阵列接收器的结构图。

图5是单个Cymbal换能器的结构图。

图6是圆盘式换能器驱动电路。

图7是圆盘换能器接收电路的前端放大器。

图8是Cymbal阵列接收器的接收电路。

图9是由运算放大器组成的加法器，图7和图8所示接收电路的输出信号VP与VC分别作为加法器的输入端，而加法器的输出端VR由组合式超声波换能器所接收的回波信号。

具体实施方式

图1是中国传感器网(www.chinasensors.com)公布的国内市面销售的圆盘式超声波换能器的结构图。图2是超声波传感器网(www.airmar.com)公布的气介式超声波换能器结构图。它们均由换能器的外壳1、匹配层(即声窗)2、压电陶瓷圆盘换能器3、背衬4和引出电缆5组成。如果将它们作为收、发兼用的超声波换能器，配置适当实际换能器的驱动电路和接收电路以及信号处理电路或算法，此类换能器也可作为大作用距离超声波测距换能器使用。但是，由于在空气介质中换能器的通带通常仅有4kHz，故只能用于检测静态或低速运动的目标。

图3是本发明组合式超声波换能器的结构图。本发明由外壳1、匹配层(即声窗)2、压电陶瓷圆盘换能器3、背衬4、引出电缆5、Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器3采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，直径为Φ90mm，厚度为12mm，工作频率为23.5kHz，谐振阻抗约为500Ω；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器3之上。引出电缆5从压电陶瓷圆盘换能器3接出，成为SIG1和SIG2；引出电缆6从Cymbal阵列接收器引出，与Cymbal阵列接收器的接收电路相连。

图4是Cymbal阵列接收器结构图。Cymbal阵列接收器由引出电缆6、8～16只Cymbal换能器7、金属圆环8、9和橡胶垫圈10组成。金属圆环8、9的内径均为Φ94mm，外径均为Φ120mm，圆环厚度为1mm。Cymbal换能器均匀分布在垫有橡胶垫圈10的金属圆环8、9的内外圆环之间。

如图5所示，Cymbal换能器(7)由上、下对称的两只铙钹形金属薄壳11夹持一枚厚度方向极化的压电陶瓷圆片12所组成，其中，铙钹形金属薄壳11与压电陶瓷圆片12之间用环氧树脂胶13粘接。压电陶瓷圆片12的半径R₀为6mm，厚度为1mm；铙钹形金属薄壳11用厚度为0.30mm的高弹性铍青铜(QBe1.9)带材制成。铙钹形金属薄壳11外缘半径与压电陶瓷圆片12的半径相等，也是6mm，内腔的底面半径R₁＝5mm，顶面半径R₂＝1.5mm，高度H＝0.4mm。这些几何参数和材料的改变，将影响Cymbal换能器的谐振模态。

图6是圆盘换能器的驱动电路。驱动电路由逻辑控制与驱动电平转换电路和推挽式放大电路组成，推挽式放大电路与本发明压电陶瓷圆盘换能器3的SIG1和SIG2相连。当选通信号为高电平时，圆盘换能器作为超声波发射器使用，超声频数字脉冲信号通过驱动电路放大后变成高电源脉冲信号，激励圆盘换能器，使之向外界发送超声波；当驱动电路中的选通信号为低电平时，驱动电路不工作，圆盘换能器作为超声波接收器使用。

图7是本发明接收电路的前端放大器。当驱动电路中的选通信号为低电平时，换能器将接收到的超声波转换为微弱的电信号，经前端放大器放大后得到输出信号VP，供下级电路进行信号调理。其中：带有中心抽头的脉冲变压器TR用于与换能器进行阻抗匹配，使换能器在接收回波时具有最高的灵敏度。

图8是Cymbal阵列接收器的低噪声前端放大器。图中电容C_p和电感L_p是Cymbal阵列的阻抗匹配元件。通过适当设计，使Cymbal阵列中心谐振频率为25kHz，经过阻抗匹配后，Cymbal阵列的带宽为10kHz，也即其品质因素Q＝2.5。Cymbal阵列接收器的低噪声前端放大器的输出为VC。

图9是加法器电路。压电陶瓷圆盘换能器3前置放大电路的输出信号VP和Cymbal阵列接收器的前置放大电路的输出信号VC经图9所示的加法器求和、放大电路合成一个接收信号VR，再加上后续的自动增益控制电路、带通滤波器和放大电路，即可构成完整的接收电路。

Claims (4)

1.一种组合式超声波换能器，包括外壳(1)、匹配层即声窗(2)、压电陶瓷圆盘换能器(3)、背衬(4)、引出电缆(5)，其特征在于它还包括Cymbal阵列接收器，它由引出电缆(6)、8～16只Cymbal换能器(7)、金属圆环(8)、(9)和橡胶垫圈(10)组成；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器3之上；压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。

2.如权利要求1所述的组合式超声波换能器，其特征在于所述压电陶瓷圆盘换能器(3)采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，直径为Ф90mm，厚度为12mm，工作频率为23.5kHz，谐振阻抗约为500Ω；引出电缆(5)从压电陶瓷圆盘换能器(3)接出，成为SIG1和SIG2，与圆盘式换能器(3)的驱动电路相连。

3.如权利要求1所述的组合式超声波换能器，其特征在于所述Cymbal阵列接收器中Cymbal换能器的多少与压电陶瓷圆盘换能器的大小和换能器对回波的接收灵敏度有关，Cymbal换能器越多，接收灵敏度越高；金属圆环(8)、(9)的内直径均为Ф94mm，外直径均为Ф120mm，圆环厚度为1mm；橡胶垫圈分别垫在金属圆环(8)、(9)外圆环的内侧和内圆环的外侧，Cymbal换能器均匀分布在垫有橡胶垫圈(10)的金属圆环(8)、(9)的内外圆环之间；引出电缆(6)从Cymbal阵列接收器引出，与Cymbal阵列接收器的接收电路相连。

4.如权利要求1所述的组合式超声波换能器，其特征在于所述Cymbal换能器(7)由上、下对称的两只铙钹形金属薄壳(11)夹持一枚厚度方向极化的压电陶瓷圆片(12)组成，其中，铙钹形金属薄壳(11)与压电陶瓷圆片(12)之间用环氧树脂胶(13)粘接；压电陶瓷圆片(12)的半径R₀为6mm，厚度为1mm；铙钹形金属薄壳(11)用厚度为0.30mm的高弹性铍青铜即QBe1.9带材制成；铙钹形金属薄壳(11)外缘半径与压电陶瓷圆片(12)的半径相等，也是6mm，内腔的底面半径R₁＝5mm，顶面半径R₂＝1.5mm，高度H＝0.4mm。

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