CN205333854U - 一种超声波大量程测距系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波大量程测距系统，包括上位机、数据采集卡、微控制器、驱动电路、超声波发射传感器、信号放大电路、超声波接收传感器、发射聚能罩、接收聚能罩、以及用于提供电能的系统电源模块。本实用新型能够实现大量程测距。

Description

一种超声波大量程测距系统

技术领域

本实用新型属于测距技术领域，涉及一种超声波大量程测距系统。

背景技术

超声波传感器纵向分辨率高，信息处理简单，性能好，价格低，对光照变化、烟雾灰尘、色彩伪装、电磁干扰等环境具有极强的适应性。利用超声波测距在很多场合应用，例如汽车防撞、车辆自动导航、机器人避障等。

但是由于市场常见的超声波传感器波束角较大、指向性较差及超声波在空气中的强烈衰减，大量程超声检测时回波信号极其微弱，回波信号信噪比较低，因此现有工业应用领域的超声检测系统检测距离较近，一般小于10米，不满足大量程测量的需要。具体原因分析如下：1)大量程超声波检测时，超声传感器波束角较大使能量过于分散。由于能量主要集中在波束的中央部分，波束角较大使指向性不尖锐，能量过于分散，增大了被测物定位的不确定区域；2)超声波幅值随着距离增大衰减强烈，超声波在空气中传播时，由于几何衰减和吸收衰减，声压会随着传播距离的增加而呈现负指数形式衰减；3)超声波辐射效率低，超声传感器向空气介质中辐射超声波时，超声传感器的高声阻抗与空气介质的低声阻抗无法有效匹配，导致声波辐射效率很低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种超声波大量程测距系统，该系统能够实现大量程测距。

为达到上述目的，本实用新型所述的超声大量程测距系统包括上位机、数据采集卡、微控制器、驱动电路、超声波发射传感器、信号放大电路、超声波接收传感器、发射聚能罩、接收聚能罩、以及用于提供电能的系统电源模块；

微控制器的输出端与驱动电路的输入端及数据采集卡的输入端相连接，驱动电路的输出端与超声波发射传感器相连接，超声波接收传感器的输出端与信号放大电路的输入端相连接，信号放大电路的输出端与数据采集卡的输入端相连接，数据采集卡的输出端与上位机相连接；

超声波发射传感器的辐射面套接于发射聚能罩的喉部，超声波接收传感器的辐射面套接于接收聚能罩的喉部。

还包括温度修正模块，温度修正模块与微控制器相连接。

所述超声波发射传感器及超声波接收传感器的中心频率均为22kHz。

所述驱动电路包括第一三极管、高压电源、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极管、第一电阻及第二电阻；

微控制器的输出端与第一三极管的基极、第四三极管的基极、第三三极管的基极及第六三极管的基极相连接，第一电阻的一端、第二电阻的一端、第二三极管的集电极及第五三极管的集电极均与高压电源相连接，第二三极管的基极与第一电阻的另一端及第一三极管的集电极相连接，第一三极管的发射极接地，第五三极管的基极与第二电阻的另一端及第四三极管的集电极相连接，第四三极管的发射极接地，超声波发射传感器与第二三极管的发射极、第五三极管的发射极、第三三极管的集电极及第六三极管的集电极相连接，第三三极管的发射极及第六三极管的发射极接地。

所述信号放大电路为两级集成运算放大电路。

所述信号放大电路包括第三电阻、第一运算放大器、第四电阻及第二运算放大器、第一滑动变阻器及第二滑动变阻器；

超声波接收传感器的输出端与第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端与第一运算放大器的反相输入端及第一滑动变阻器的一端相连接，第一运算放大器的同相输入端接地，第一运算放大器的输出端与第一滑动变阻器的另一端及第四电阻的一端相连接，第四电阻的另一端与第二运算放大器的反相输入端及第二滑动变阻器的一端相连接，第二运算放大器的同相输入端接地，第二运算放大器的输出端与数据采集卡的输入端及第二滑动变阻器的另一端相连接。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述超声波大量程测距系统在测距的过程中，通过微控制器连续生成若干超声波脉冲序列，所述超声波脉冲序列通过驱动电路放大为峰峰值为300V-600V的高压脉冲序列，这样不仅使超声波发射传感器具有较大的发射功率，还容易实现高压脉冲序列参数的控制，同时利用超声波发射传感器上的发射聚能罩以及超声波接收传感器上的接收聚能罩改善超声波波束角较大、指向性较差及能量分散的问题，超声波接收传感器接收的超声波信号通过信号放大电路进行放大以补偿超声波幅值随着距离增大的衰减，克服超声大量程测量受限的因素，增大检测的距离，本实用新型的超声探测范围可达到30m。

附图说明

图1为本实用新型的原理图；

图2(a)为本实用新型的系统电源模块2中5V转3.3V电压转换电路图；

图2(b)为本实用新型的系统电源模块2中±12V转±9V电压转换电路图；

图3为本实用新型中驱动电路4的电路图；

图4为本实用新型中信号放大电路9的电路图；

图5为本实用新型中发射聚能罩6及接收聚能罩7的结构示意图。

其中，1为温度修正模块、2为系统电源模块、3为微控制器、4为驱动电路、5为超声波发射传感器、6为发射聚能罩、7为接收聚能罩、8为超声波接收传感器、9为信号放大电路、10为数据采集卡、11为上位机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参考图1，本实用新型所述的超声大量程测距系统包括上位机11、数据采集卡10、微控制器3、驱动电路4、超声波发射传感器5、信号放大电路9、超声波接收传感器8、发射聚能罩6、接收聚能罩7、以及用于提供电能的系统电源模块2；微控制器3的输出端与驱动电路4的输入端及数据采集卡10的输入端相连接，驱动电路4的输出端与超声波发射传感器5相连接，超声波接收传感器8的输出端与信号放大电路9的输入端相连接，信号放大电路9的输出端与数据采集卡10的输入端相连接，数据采集卡10的输出端与上位机11相连接；超声波发射传感器5的辐射面套接于发射聚能罩6的喉部，超声波接收传感器8的辐射面套接于接收聚能罩7的喉部。

需要说明的是，本实用新型还包括温度修正模块1，温度修正模块1与微控制器3相连接，通过所述温度修正模块采集到的温度信息对超声波的速度进行修正；超声波发射传感器5及超声波接收传感器8的中心频率均为22kHz。

参考图3，所述驱动电路4包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第一电阻R1及第二电阻R2；微控制器3的输出端与第一三极管Q1的基极、第四三极管Q4的基极、第三三极管Q3的基极及第六三极管Q6的基极相连接，第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第二三极管Q2的集电极及第五三极管Q5的集电极均与高压电源相连接，第二三极管Q2的基极与第一电阻R1的另一端及第一三极管Q1的集电极相连接，第一三极管Q1的发射极接地，第五三极管Q5的基极与第二电阻R2的另一端及第四三极管Q4的集电极相连接，第四三极管Q4的发射极接地，超声波发射传感器5与第二三极管Q2的发射极、第五三极管Q5的发射极、第三三极管Q3的集电极及第六三极管Q6的集电极相连接，第三三极管Q3的发射极及第六三极管Q6的发射极接地，通过微控制器3实现发射脉冲的个数、幅值、频率及占空比的控制。

参考图4，所述信号放大电路9为两级集成运算放大电路；具体的，所述信号放大电路9包括第三电阻R3、第一运算放大器D1、第四电阻R4及第二运算放大器D2、第一滑动变阻器R5及第二滑动变阻器R6；超声波接收传感器8的输出端与第三电阻R3的一端相连接，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器D1的反相输入端及第一滑动变阻器R5的一端相连接，第一运算放大器D1的同相输入端接地，第一运算放大器D1的输出端与第一滑动变阻器R5的另一端及第四电阻R4的一端相连接，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器D2的反相输入端及第二滑动变阻器R6的一端相连接，第二运算放大器D2的同相输入端接地，第二运算放大器D2的输出端与数据采集卡10的输入端及第二滑动变阻器R6的另一端相连接。

所述第一运算放大器D1及第二运算放大器D2为高输入阻抗的集成运算放大器TL082。信号放大电路9采用两级放大原理，总放大倍数可达到1000倍，超声波接收传感器8将接收到的微弱超声回波信号交流耦合到第一运算放大器D1中进行一级放大，其最大放大倍数为20倍，放大的信号再交流耦合到第二运算放大器D2中进行二级放大，其最大放大倍数为50倍，第一运算放大器D1及第二运算放大器D2采用±9V双电源供电，抗干扰能力较强。

参考图2(a)及图2(b)，微控制器3的工作电压为+3.3V，因此设计基于ASM1117-3.3转换芯片的+5V转+3.3V电压转换电路，具体电路如图2(a)所示，通过图2(a)所述的转换电路为微控制器3提供电能，如图2(b)所示，12V电源通过LM7809芯片和LM7909芯片进行稳压后为第一运算放大器D1和第二运算放大器D2进行双电源供电，有利于提高电路的抗干扰能力。驱动电路4的高压电源采用直流可调稳压电源，输出电压从0V-350V可调，输出电流2A，满足驱动电路4的工作需要。

参考图5，超声波发射传感器5的辐射面与发射聚能罩6的喉部相连接，超声波接收传感器8的辐射面与接收聚能罩7的喉部相连接，接收聚能罩7及发射聚能罩6的截面形状为指数形，其中，S₀为喉部截面积，S_l为口部截面积，δ为衡量聚能罩截面变化快慢的蜿蜒系数，r₀为喉部半径，r_l为口部半径。

本实用新型中超声波发射传感器5发射的声波频率为22kHz，则接收聚能罩7及发射聚能罩6的截止频率为220～244Hz范围之内。

接收聚能罩7及发射聚能罩6的蜿展系数δ在8.0～8.9之间，超声波接收传感器8及超声波发射传感器5的辐射面直径为0.101m，而接收聚能罩7及发射聚能罩6的喉部要与超声传感器的辐射面相连，因此本实用新型中接收聚能罩7及发射聚能罩6喉部半径为：r₀＝0.0525m，喉部面积：对于截面为圆形的接收聚能罩7及发射聚能罩6，其口部有效半径范围为：r_l＝0.219-0.252m，则聚能罩口部面积: $S_l={\mathrm{\πa}}_l^2=0.150-0.200m^2.$

本实用新型的具体工作过程为：

微控制器3连续生成若干超声波脉冲序列，并将所述超声波脉冲序列转发至数据采集卡10及驱动电路4中，数据采集卡10将所述超声波脉冲序列转发至上位机11中，所述超声波脉冲序列经过驱动电路4放大为峰峰值为300V-600V的高压脉冲序列后输入到超声波发射传感器5中，高压脉冲序列驱动超声波发射传感器5产生超声波，所述超声波经发射聚能罩6发出传播出去，当所述超声波遇到被测物时，则经被测物反射回来，超声波接收传感器8利用接收聚能罩7接收经被测物反射回来的超声波信号，所述被测物反射回来的超声波信号经信号放大电路9放大后输入到数据采集卡10中，数据采集卡10将被测物反射回来的超声波信号转发至上位机11中，上位机11计算接收到的超声波脉冲序列与被待测物反射回来的超声波信号的时间差，并根据所述时间差计算超声波发射传感器5及超声波接收传感器8与被测物的间距。

Claims (6)

1.一种超声波大量程测距系统，其特征在于，包括上位机(11)、数据采集卡(10)、微控制器(3)、驱动电路(4)、超声波发射传感器(5)、信号放大电路(9)、超声波接收传感器(8)、发射聚能罩(6)、接收聚能罩(7)、以及用于提供电能的系统电源模块(2)；

微控制器(3)的输出端与驱动电路(4)的输入端及数据采集卡(10)的输入端相连接，驱动电路(4)的输出端与超声波发射传感器(5)相连接，超声波接收传感器(8)的输出端与信号放大电路(9)的输入端相连接，信号放大电路(9)的输出端与数据采集卡(10)的输入端相连接，数据采集卡(10)的输出端与上位机(11)相连接；

超声波发射传感器(5)的辐射面套接于发射聚能罩(6)的喉部，超声波接收传感器(8)的辐射面套接于接收聚能罩(7)的喉部。

2.根据权利要求1所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，还包括温度修正模块(1)，温度修正模块(1)与微控制器(3)相连接。

3.根据权利要求1所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，所述超声波发射传感器(5)及超声波接收传感器(8)的中心频率均为22kHz。

4.根据权利要求1所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，所述驱动电路(4)包括第一三极管(Q1)、高压电源、第二三极管(Q2)、第三三极管(Q3)、第四三极管(Q4)、第五三极管(Q5)、第六三极管(Q6)、第一电阻(R1)及第二电阻(R2)；

微控制器(3)的输出端与第一三极管(Q1)的基极、第四三极管(Q4)的基极、第三三极管(Q3)的基极及第六三极管(Q6)的基极相连接，第一电阻(R1)的一端、第二电阻(R2)的一端、第二三极管(Q2)的集电极及第五三极管(Q5)的集电极均与高压电源相连接，第二三极管(Q2)的基极与第一电阻(R1)的另一端及第一三极管(Q1)的集电极相连接，第一三极管(Q1)的发射极接地，第五三极管(Q5)的基极与第二电阻(R2)的另一端及第四三极管(Q4)的集电极相连接，第四三极管(Q4)的发射极接地，超声波发射传感器(5)与第二三极管(Q2)的发射极、第五三极管(Q5)的发射极、第三三极管(Q3)的集电极及第六三极管(Q6)的集电极相连接，第三三极管(Q3)的发射极及第六三极管(Q6)的发射极接地。

5.根据权利要求4所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，所述信号放大电路(9)为两级集成运算放大电路。

6.根据权利要求5所述的超声波大量程测距系统，其特征在于，所述信号放大电路(9)包括第三电阻(R3)、第一运算放大器(D1)、第四电阻(R4)及第二运算放大器(D2)、第一滑动变阻器(R5)及第二滑动变阻器(R6)；

超声波接收传感器(8)的输出端与第三电阻(R3)的一端相连接，第三电阻(R3)的另一端与第一运算放大器(D1)的反相输入端及第一滑动变阻器(R5)的一端相连接，第一运算放大器(D1)的同相输入端接地，第一运算放大器(D1)的输出端与第一滑动变阻器(R5)的另一端及第四电阻(R4)的一端相连接，第四电阻(R4)的另一端与第二运算放大器(D2)的反相输入端及第二滑动变阻器(R6)的一端相连接，第二运算放大器(D2)的同相输入端接地，第二运算放大器(D2)的输出端与数据采集卡(10)的输入端及第二滑动变阻器(R6)的另一端相连接。