CN201716410U

CN201716410U - 超声波聚束定向及增强信号的装置

Info

Publication number: CN201716410U
Application number: CN2010202465320U
Authority: CN
Inventors: 钱仁贵
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2020-07-01

Abstract

本实用新型公开了一种超声波聚束定向及增强信号的装置，要解决的技术问题是提供一种定向性好和有效距离远的超声波聚束定向及增强信号的装置。为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种超声波聚束定向及增强信号的装置，包括超声波传感器，所述超声波传感器外设有聚束反射罩，所述聚束反射罩的内表面为旋转抛物面，所述超声波传感器设置于旋转抛物面的焦点处。本实用新型与现有技术相比，在超声波传感器外增加一个有聚束作用的反射罩，使超声波聚束，具有低成本、小角度、长距离、抗干扰等优点。

Description

超声波聚束定向及增强信号的装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于超声波探测或测距的超声波聚束定向及增强信号的装置。

背景技术

目前，超声波测距传感器在众多领域已得到广泛应用，由于其能抵御各种复杂的环境，如光照、电磁波、烟雾等，因此在工业控制和民用设备中都有大量使用。

在空气介质中，超声波的信号强度随距离的增加会迅速衰减。如果考虑防水防尘，使用密封型超声波传感器一般只能做到3-5米远。单纯地提高超声波发射功率，则超声波发射器的使用寿命会大大下降。如果提高放大器的放大倍数，放大器又极易受到干扰。这些方法都不能根本解决距离近的问题。

公知的超声波传感器都有一定的扩散角，声束指向性差，也即定向性不好。高频率、大体积的超声波传感器定向性有所改善，但制造成本又太高，导致价格贵不利于推广。

申请日为1997年3月13日的中国发明专利CN1165303公开了一种超声波声束定向装置，该装置采用筒形结构，虽然能起到一定的定向作用，但不能增强信号，而且吸声材料也不能完全吸收侧面的反射声波，仍可能产生减弱声波的“叠加效应”，此外吸声材料还需要考虑防水防尘等问题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种定向性好和有效距离远的超声波聚束定向及增强信号的装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种超声波聚束定向及增强信号的装置，包括超声波传感器，所述超声波传感器外设有聚束反射罩，所述聚束反射罩的内表面为旋转抛物面，所述超声波传感器设置于旋转抛物面的焦点处。

本实用新型所述聚束反射罩的内表面为光面结构。

本实用新型所述聚束反射罩的中心剖面抛物线方程为：2nλx＝y²，其中，0≤x≤d，d为反射罩深度，n为正整数，λ为超声波波长；聚束反射罩旋转抛物面的三维方程为：2nλx＝y²+z²，其中，0≤x≤d，d为反射罩深度，n为正整数，λ为超声波波长。

本实用新型与现有技术相比，在超声波传感器外增加一个有聚束作用的反射罩，使超声波聚束，具有低成本、小角度、长距离、抗干扰等优点。

附图说明

图1是本实用新型聚束反射罩的示意图。

图2是本实用新型的剖面结构示意图。

图3是本实用新型超声波检测区域的对比示意图。

图4是本实用新型超声波信号增强计算方法的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步的描述。

如图1、图2所示，本实用新型超声波聚束定向及增强信号的装置，包括超声波传感器1，该超声波传感器1外设有聚束反射罩2，聚束反射罩2的内表面为光面结构的旋转抛物面，超声波传感器1设置于旋转抛物面的焦点处。

本实用新型是给普通超声波传感器增加一个有聚束作用的反射罩，以解决“定向性差”和“距离近”的问题。由于超声波有直线传播的特性，遇光滑表面时产生反射(类似光线，入射角＝反射角)，因此把超声波传感器和探照灯一样，增加一个如图1所示的旋转抛物面聚束反射罩，使超声波聚束。该聚束反射罩内反射面的中心剖面图如图2所示，其中：

中心剖面抛物线方程可设为：2Px＝y²，P＞0，0≤x≤d(d为反射罩深度)；

聚束反射罩内旋转抛物面的三维方程可设为：2Px＝y²+z²，P＞0，0≤x≤d(d为反射罩深度)。

说明：聚束反射罩的内表面为光面，超声波传感器设置在抛物线焦点处(P/2，0)，任意一束发散声波L经反射罩反射后变为平行于x轴的波束(这是抛物面的特性)。类似地，远处近似平行于x轴的障碍回波，经反射罩聚焦后，将使接收信号增强。为方便说明，以下只讨论发射情形。

上述聚束反射罩虽然解决了聚束问题(即定向性)，但如图2所示，反射声波L和x轴的直达声波路径不相等，当两路声波在正前方“叠加”时，可能由于相位相反，反而使声波在某些区域抵消或削弱。

如图3所示：

I：无聚束反射罩时的有效检测区域；

II：有聚束反射罩，但反射声波与直达声波相位不同，有抵消或削弱的区域。

III：聚束反射罩经正确设置后的检测区域。

如果经过计算，使反射罩反射的声波和直达声波同相，则声波在正前方的叠加后会使信号成倍增强，如图3III所示。

具体计算如图4所示：

显然反射声波L的路径比x轴的直达声波M要长(c＞a)，如果使

c-a＝nλ(n为正整数，λ为超声波波长)则反射声波和直达声波在正前方远处叠加会同相。

如果设直达声波为M＝sinwt，反射声波为L＝sinw(t-Δt)，Δt为延时时间。因为Δt＝nλ/v(v为声速)＝n/f＝n*2Л/w，也即L＝sin(wt-n*2Л)，显然L、M同相。

设抛物线方程为：2Px＝y²，P＞0，由A点坐标为(a+P/2，b)，得

2Pa+P²＝b²

又由ABC三点构成直角三角形，即

a²+b²＝c²

得

(a+P)²＝c²

得关系式：c-a＝P

要使：c-a＝nλ(n为正整数，λ为超声波波长)，只需nλ＝P，即可。

结论：

为了提高超声波传感器的定向性，以及增加信号发射强度和提高接收灵敏度，可以给超声波传感器加聚束反射罩，聚束反射罩的内表面为一确定的旋转抛物面，超声波传感器设置于抛物面的焦点处。

该聚束反射罩旋转抛物面的中心剖面平面方程为：

2nλx＝y²，0≤x≤d(d为反射罩深度)，n为正整数，λ为超声波波长。

该聚束反射罩旋转抛物面的三维方程为：

2nλx＝y²+z²，0≤x≤d(d为反射罩深度)，n为正整数，λ为超声波波长。

本实用新型在空气介质中的应用示例：

在固定介质中，超声波的传播速度v是可以确定的，例如在空气中15℃一个大气压时，声速为340米/秒。如果超声波的工作频率为40kHz，由

λ＝v/f(v为超声波传播速度，f为超声波频率)

得波长λ＝8.5mm

事实上，温度变化或大气压变化时，声速v也会在一定范围内变化，由于变化比率并不大，不会导致所谓“反相叠加”的负面影响，所以可以折中取λ＝8.5mm即可。一般n取值为1，则可用17x＝y²+z²(单位：mm)所确定的旋转抛物面作聚束反射罩。

关于聚束反射罩深度d的取值，可根据实际需要和使用的方便性适当选择。

经验证，用普通的超声波传感器，加合适的旋转抛物面反射罩后，发射角度可减小到10度，而信号强度增加了几倍。

采用本实用新型后可以减少超声波的发射功率，极大地提高了超声波传感器的使用寿命。还可以用小倍数的放大器处理信号，大大提高了电路的抗干扰能力。由于本实用新型采用低成本的方式满足了较高的性能要求，因此具有着非常大的应用前景。

Claims

1.一种超声波聚束定向及增强信号的装置，包括超声波传感器(1)，其特征在于：所述超声波传感器(1)外设有聚束反射罩(2)，所述聚束反射罩(2)的内表面为旋转抛物面，所述超声波传感器(1)设置于旋转抛物面的焦点处。

2.根据权利要求1所述的超声波聚束定向及增强信号的装置，其特征在于：所述聚束反射罩(2)的内表面为光面结构。

3.根据权利要求1或2所述的超声波聚束定向及增强信号的装置，其特征在于：所述聚束反射罩(2)的中心剖面抛物线方程为：2nλx＝y²，其中，0≤x≤d，d为反射罩深度，n为正整数，λ为超声波波长；聚束反射罩(2)旋转抛物面的三维方程为：2nλx＝y²+z²，其中，0≤x≤d，d为反射罩深度，n为正整数，λ为超声波波长。