CN209387875U - 基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置 - Google Patents
基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN209387875U CN209387875U CN201821811885.3U CN201821811885U CN209387875U CN 209387875 U CN209387875 U CN 209387875U CN 201821811885 U CN201821811885 U CN 201821811885U CN 209387875 U CN209387875 U CN 209387875U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro electronmechanical
- transducer array
- module
- ultrasonic transducer
- ultrasonic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，夹具上安装有相互独立的超声波发射模块和超声波接收模块，且两个模块之间设有一块阻断横向声波信号传输的隔绝板；所述的超声波发射模块和超声波接收模块均采用微机电压电超声波换能器阵列模块；所述微机电压电超声波换能器阵列模块底部为基底层，基底层上设有换能器单元，换能器单元由底电极、压电层和上电极逐层叠加而成，底电极和上电极分别通过连接线与不同的接线端相连。本实用新型中的发射和接收模块为独立的两块芯片，可以有效减少沿基底传播的串扰信号，两者之间用一块隔绝板隔开，可以进一步防止横向声波信号的干扰。而且发射和接收模块位于同一端，便于集成。
Description
技术领域
本实用新型涉及到的是一种基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置。
背景技术
超声波是一种振动频率高于20kHz的机械波。超声波换能器的工作过程就是电压和超声波之间的互相转换过程，当超声波换能器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当超声波换能器接收超声波时，接收超声波的探头将超声波转化的电压回送到微控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小且方向性好等优点。利用超声波测距的优点有：对外界色彩和电磁场不敏感，可以用于黑暗有灰尘或烟毒、电磁干扰强的场所。传统超声波换能器体积庞大、功耗高、不利于集成，微机电压电超声波换能器则很好地解决了这些问题。由于超声波在空气中的衰减较大，传统的基于飞行时间的测距方式在确定回波时间上存在较大的误差。利用连续波的相位信息来实现测量距离测量可以减小随机误差，从而提高测量进度。本实用新型中利用了微机电压电超声波换能器阵列发射和接收三段在谐振频率附近不同频率的连续波信号，并且可以根据测距范围的变化改变发射信号的频率，从而兼顾测量范围和测量精度。
发明内容
本实用新型的目的在于解决现有的超声波换能器测距存在的测量精度差，难以集成的问题，并提供一种基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，它包括夹具，所述夹具上安装有相互独立的超声波发射模块和超声波接收模块，且超声波发射模块和超声波接收模块之间设有一块阻断横向声波信号传输的隔绝板；所述的超声波发射模块和超声波接收模块均采用微机电压电超声波换能器阵列模块；所述微机电压电超声波换能器阵列模块底部为基底层，基底层上设有换能器单元，换能器单元由底电极、压电层和上电极逐层叠加而成，底电极和上电极分别通过连接线与不同的接线端相连。
作为优选，所述的微机电压电超声波换能器阵列模块中，换能器单元有多个，且在基底层上呈矩形阵列排布，各换能器单元以并联的方式连接于接线端上。
进一步的，所述的矩形阵列为5×5矩形阵列。
更进一步的，上电极和底电极的材料为钼；压电层的材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷；连接线的材料为铝；基底层的材料为硅。
更进一步的，所述的微机电压电超声波换能器阵列模块的谐振频率为492kHz，-3dB带宽＞10kHz。
作为优选，所述的隔绝板为塑料隔板。
作为优选，所述的超声波发射模块通过接线端连接外部信号激励源。
本实用新型中测距装置的发射和接收模块分别为独立的两块芯片，这样可以有效减少沿基底传播的串扰信号，两者之间用一块隔绝板隔开，可以进一步防止横向声波信号的干扰。而且发射和接收模块位于同一端，便于集成。本实用新型通过微机电压电超声波换能器阵列先后发射三条频率不同的连续波，与此同时利用另一片微机电压电超声波阵列接收芯片接收反射回来的超声波，通过确定三组发射声波和接收声波的相位差和对应的频率差来达到测距的目的。并且可根据测量的范围不同，对发射的连续波的频率进行调节，从而达到兼顾测量范围和测量精度的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明
图1是基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置示意图；
图2是5×5微机电压电超声波换能器阵列示意图；
图3是多频连续超声波测距原理图；
图4是测距系统模块流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外需要说明的是，为了方便描述，附图中仅显示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
如图1所示，本实用新型中的基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，其具有一个用于搭载其他部件的夹具，本实施例中夹具呈“王”字形，夹具中间的横条形平面两面分别安装有相互独立的超声波发射模块11和超声波接收模块12，有利于减少沿基底传播串扰信号。夹具另外两条横条形平面上具有安装孔。而夹具的竖条形平面上垂直固定有一块隔绝板13，该隔绝板13刚好位于超声波发射模块11和超声波接收模块12之间，能够阻断两个模块之间的横向声波信号传输，避免干扰。
在本实施例中，超声波发射模块11和超声波接收模块12均采用微机电压电超声波换能器阵列模块，其具体结构如图2所示。该微机电压电超声波换能器阵列模块底部为基底层05，基底层05上设有25个换能器单元，25个换能器单元在基底上表面呈5×5的均匀矩形阵列排布。每个换能器单元均由底电极03、压电层02和上电极01逐层叠加而成，底电极03和上电极01分别通过连接线04与不同的接线端相连。本实施例中，各换能器单元是以并联的方式连接于接线端上的，同一模块上所有单元的上电极01均连接一个接线端，所有单元的底电极03均连接另一个接线端。超声波发射模块11通过接线端连接外部信号激励模块，对各换能器单元施加激励信号，而超声波接收模块12通过接线端向外输出接收到的信号。
在本实施例的微机电压电超声波换能器阵列模块中，上电极01的材料为钼，半径为140 μm，厚度为0.2μm；压电层02的材料为氮化铝，半径为200μm，厚度为1μm；底电极03的材料也为钼，半径为200μm，厚度为0.2μm；连接线04的材料为铝，厚度为1μm；基底05 的材料为硅，厚度为5μm。隔绝板13为厚度为1mm的塑料隔板。该微机电压电超声波换能器阵列模块的谐振频率为492kHz，-3dB带宽＞10kHz，可以发射频率在492±5kHz内的连续波，从而大大提高测距的分辨率。
该测距装置在使用时，将换能器单元呈5×5矩阵形式组合而成作为连续波信号的发射模块和接收模块，而不是依靠单独一个单元，这样可以提高发射信号和接收信号的强度。5×5个单元通过并联的方式连接，从而减小驱动、检测电路的复杂度。而且，相对于其他将接收模块单独设置于被测物体上的装置，本实用新型的发射和接收模块相对于被测物体是位于同一端的，这大大方便了测距装置的集成。
利用上述测距装置进行基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距方法，其步骤如下：
步骤一、利用所述超声波发射模块11向被测物体发射三段在谐振频率附近的不同频率连续波信号，并通过超声波接收模块12接收由被测物体反射回来的超声波信号；
步骤二、计算三段发射声波和接收声波的相位差，生成相邻两段频率段间的相位差以及对应的频率差，再根据多频连续超声波测距原理计算得到被测物体的距离。
图1是多频连续超声波测距原理图，下面详述根据多频连续超声波测距原理计算得到被测物体的距离的过程。超声波发射模块11发射的3个频段连续波的频率分别为f1，f2和f3， f1＞f2＞f3，超声波接收模块12获得三段接收波后，计算三段接收波与对应发射波的相位差，记为和然后生成不同频率段的相位差(若计算出的则加上360°，i＝1，2)，同时求对应的频差Δf1＝f1-f2，Δf2＝f1-f3。在已知的声速c下，根据如下的公式即可计算出目标物的距离L：
Int[ ]为取整符号，表示对[ ]内计算结果取整。由上述计算公式可知，该测距方法的一级分辨率为c/Δf2，二级分辨率为c/f1。
另外，由于该装置的超声波发射频率具有较大的可调范围，因此在发射连续波进行测距时，发射的连续波频率可根据测距的范围进行调节，从而达到兼顾测量范围和测量精度的目的。对于长距离(10-30cm)测距，需要调整三段连续波信号的频率使其更接近于微机电压电超声波换能器阵列模块的谐振频率，用更接近谐振频率的三段连续波可以实现更大的发射声压，从而扩大测量范围；对于短距离(10cm)测距，需调整三段连续波信号的频率扩大其频带差，用频带差较大的三段连续波可以实现高精度测量。例如，本实施例中微机电压电超声波换能器阵列模块的谐振频率为492kHz，因此对于10～30cm的长距离测距，可选择492k、 491.8k、490kHz三个频率波段发射连续波，实现长距离测试，对于小于10cm的短距离测距，可选择497k、496.8k、487kHz三个频率波段发射连续波，以提高测量精度。
上述连续超声波测距方法可以人工计算，也可以通过若干功能模块进行实现，图4展示了一种各模块实现的形式。在该系统中，包括信号激励模块20、发射接收模块21、电荷放大模块22、相位对比模块23以及数据处理模块24，各模块可以通过能够实现其功能的电路、电子元件、软件等进行实现，不做限定。其中，发射接收模块21采用图1和2所示的上述基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，而信号激励模块20则作为激励源连接超声波发射模块11的接线端。超声波接收模块12接收到的信号输送至电荷放大模块22中，对信号进行电荷放大，然后再将放大的信号输入相位对比模块23，计算相位差信息。最终信号输入数据处理模块中，计算待测物体的距离。其具体过程如下：
步骤20：通过信号激励模块20向超声波发射模块11提供不同频率的三段连续波的激励信号。对于长距离用更接近微机电压电超声波换能器阵列的谐振频率的三段连续波(如：492k、 491.8k、490kHz)来实现更大的发射声压，从而实现长距离测试；对于短距离用频带差较大的三段连续波(如：497k、496.8k、487kHz)来实现高精度测量。
步骤21：在发射接收模块21中，由超声波发射模块11向被测物先后发射上述激励信号对应的三段不同频率的连续超声波信号，由超声波接收模块12接收从被测物反射回来的信号。
步骤22：在超声波接收模块对于超声波接收模块12的信号进行电荷放大而不是电压放大，从而体现并联阵列的倍数放大优势。
步骤23：将从步骤22中得到的放大信号在相位对比模块23中进行接收和发射信号的相位比较，获取对应的相位信息和进而得到
步骤24：在步骤23获取相位信息的基础上，结合对应的频率信息Δf1、Δf2及声速c计算得到目标物的距离L(计算公式如前所述)，实现测距。
以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，其特征在于，包括夹具，所述夹具上安装有相互独立的超声波发射模块(11)和超声波接收模块(12)，且超声波发射模块(11)和超声波接收模块(12)之间设有一块阻断横向声波信号传输的隔绝板(13)；所述的超声波发射模块(11)和超声波接收模块(12)均采用微机电压电超声波换能器阵列模块；所述微机电压电超声波换能器阵列模块底部为基底层(05)，基底层(05)上设有换能器单元，换能器单元由底电极(03)、压电层(02)和上电极(01)逐层叠加而成，底电极(03)和上电极(01)分别通过连接线(04)与不同的接线端相连。
2.如权利要求1所述的基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，其特征在于，所述的微机电压电超声波换能器阵列模块中，换能器单元有多个，且在基底层(05)上呈矩形阵列排布，各换能器单元以并联的方式连接于接线端上。
3.如权利要求2所述的基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，其特征在于，所述的矩形阵列为5×5矩形阵列。
4.如权利要求3所述的基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，其特征在于，上电极(01)和底电极(03)的材料为钼；压电层(02)的材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷；连接线(04)的材料为铝；基底层(05)的材料为硅。
5.如权利要求3所述的基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，其特征在于，所述的微机电压电超声波换能器阵列模块的谐振频率为492kHz。
6.如权利要求1所述的基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，其特征在于，所述的隔绝板(13)为塑料隔板。
7.如权利要求1所述的基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置，其特征在于，所述的超声波发射模块(11)通过接线端连接外部信号激励源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821811885.3U CN209387875U (zh) | 2018-11-05 | 2018-11-05 | 基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821811885.3U CN209387875U (zh) | 2018-11-05 | 2018-11-05 | 基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN209387875U true CN209387875U (zh) | 2019-09-13 |
Family
ID=67867900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201821811885.3U Active CN209387875U (zh) | 2018-11-05 | 2018-11-05 | 基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN209387875U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109270540A (zh) * | 2018-11-05 | 2019-01-25 | 浙江大学 | 基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置及方法 |
-
2018
- 2018-11-05 CN CN201821811885.3U patent/CN209387875U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109270540A (zh) * | 2018-11-05 | 2019-01-25 | 浙江大学 | 基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置及方法 |
| CN109270540B (zh) * | 2018-11-05 | 2023-11-28 | 浙江大学 | 基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109270540A (zh) | 基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置及方法 | |
| CN108704827B (zh) | 空气耦合式的电容式微加工超声换能器、制备方法及用途 | |
| US6776762B2 (en) | Piezocomposite ultrasound array and integrated circuit assembly with improved thermal expansion and acoustical crosstalk characteristics | |
| CN100460872C (zh) | 超声波成像装置 | |
| CN109798944A (zh) | 基于微机械压电超声波换能器的流量计及渡越时间测量装置 | |
| CN106404911B (zh) | 用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统 | |
| CN101576537A (zh) | 超声相控阵激励装置 | |
| CN209166556U (zh) | 基于微机械压电超声波换能器的流量计渡越时间测量装置 | |
| CN109492504A (zh) | 超声波生物识别装置及其制备方法和电子设备 | |
| CN104244836A (zh) | 超声波探头和具有该超声波探头的超声波诊断装置 | |
| CN103111410A (zh) | 新型超声波传感器 | |
| CN209387875U (zh) | 基于微机电压电超声波换能器阵列的连续超声波测距装置 | |
| CN104622512A (zh) | 椭圆膜单元结构电容式微超声传感器环形阵列及电路系统 | |
| US11819361B2 (en) | Split electrode design for a transducer | |
| CN106473772A (zh) | 超声波器件、超声波模块以及超声波测量仪 | |
| CN1164147C (zh) | 电磁话筒 | |
| CN106483525A (zh) | 全向超声信号接收组件、全向超声测距系统及方法 | |
| CN102735314A (zh) | 一种高精度的外贴式超声液位计 | |
| Cai et al. | An enhanced-differential PMUT for ultra-long distance measurement in air | |
| CN110681560A (zh) | 具有亥姆霍兹谐振腔的mems超声定位传感器 | |
| US5724315A (en) | Omnidirectional ultrasonic microprobe hydrophone | |
| CN106556440B (zh) | 一种时差法超声波流量计 | |
| Abdelmejeed et al. | Cmos Controlled Ghz Ultrasonic Impedance Imager | |
| CN110118943B (zh) | 一种宽频带超声波接收装置及其应用 | |
| CN209070608U (zh) | 一种基于超声波传感器的门禁装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |