CN2344752Y - 超声波多维检测与定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波多维检测与定位装置,该装置主要包括发射探头、接收探头、时序控制电路、超声波发射电路、模拟信号处理电路、计时电路、渡越时间检测电路、单片机及上位机,其中接收探头为两个或三个,模拟信号处理电路完成每一路超声波接收信号的处理。本实用新型可动态检测和显示待测动点(发射探头)在二维和三维工作空间的位置和坐标值,并具有检测精度高、可靠性好、测量范围大等优点。

Description

超声波多维检测与定位装置

本实用新型涉及一种自动检测装置。

现有的超声波检测装置，包括发射探头，接收探头，时序控制电路，超声波发射电路，模拟信号处理电路，计时电路，渡越时间检测电路，单片机等。由于只有一个接收探头，进行单向测距，所以只能解决一维的检测与定位问题。

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种简单、实用的能对二维或三维空间检测和定位的超声波多维检测与定位装置。

为达到上述目的，本实用新型采用的解决方案是：该装置包括发射探头，接收探头，时序控制电路，超声波发射电路，模拟信号处理电路，计时电路，渡越时间检测电路，单片机及上位机，其中接收探头为两个或三个，模拟信号处理电路完成每一路接收信号的处理，渡越时间检测电路将模拟信号处理电路输出的每一路信号转化为计时值，上位机完成动点位置坐标值的计算和动态显示。

本实用新型的优点是：

1．可动态检测和显示待测动点(发射探头)在二维或三维空间的位置和坐标值。

2．可用作大屏幕触摸及定位和机器人及其它多轴与多坐标系统的二维和三维空间测量、定位和虚拟现实。

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型一种实施例的结构简图。

图2是图1中模拟信号处理电路的一种结构简图。

图3是图2中自动增益补偿电路的一种具体电路图。

图4是图3中控制电压产生电路的一种具体电路图。

图5是图2中峰值检测电路的一种具体电路图。

图6是图1中渡越时间检测电路中的每一路具体电路图。

图7是过零检测原理图。

图8是二维检测与平面定位原理图。

图9是本实用新型另一种实施例的结构简图。

图10是三维检测与空间定位原理图。

由图1所示，本装置采用两个接收探头J₁和J₂，一个发射探头F，发射探头F为全方位发射探头或由多个大发射角探头并接而成，接收探头J₁、J₂将接收到的声波转换成同频率的电信号，并分别被送入模拟信号处理电路1，模拟信号处理电路1完成两路超声波接收信号的处理。渡越时间检测电路2将模拟信号处理电路1输出的两路信号转化为计时值。计时电路7将计时值送单片机5，完成距离计算。单片机5通过RS-232串行接口将计算结果传送给上位机(PC机)6，完成动点位置坐标值的计算和动态显示。超声波发射电路9由驱动电路组成，该电路产生某一固定频率(如40KHz)的脉冲信号，定时加在发射探头F(电一声换能器)上，发射探头F将脉冲信号转换成同频率的声波。时序控制电路8由555定时电路组成，由它生成时序控制信号，去控制整个电路的时序，包括超声波脉冲发射时间、间隔、宽度，启动计时电路7的时刻，以及屏蔽虚假回波的信号等。

为获得工作环境温度，为温度补偿提供依据，提高装置的检测精度，可增设温度检测电路3及A/D转换器4,A/D转换器4将相关的模拟信号转换成数字信号送至单片机5，完成温度补偿及信号处理、存储。

由图2所示，模拟信号处理电路1中的每一路由前置放大电路10，通道选择电路11，带通频波电路12，自动增益补偿电路13及峰值检测电路14组成，完成两路接收信号的前置放大、通道选择、带通滤波、自动增益补偿及峰值检测。因接收信号很微弱，接收电路接收到超声波信号后，必须将信号进行放大；为防止虚假回波的干扰，用定时信号控制多路选通开关CD4051，对虚假回波进行屏蔽；同时为了减小环境噪声的干扰，提高信噪比，采用带通滤波电路12以去除信号中其它频率的噪声；由于超声波传播途径中空气流扰动、热对流等因素的影响，以及声波的扩散，使得声强随着传播距离的增长按指数规律衰减，再加上声波的散射，使得中、长距离的测距精度下降，甚至无法工作，所以采用自动增益补偿电路13以补偿声强的衰减；采用峰值检测电路14，用于消除干扰信号，检测出回波峰值进入渡越时间检测电路2。

自动增益补偿电路13可由图3所示电路实现，具体接法是：一对场效应15、16的漏极分别接在运算放大器17的正向输入端和反向输入端，场效应管16的源极与栅极之间接有电阻R₃，栅极通过二极管D₁与控制电压产生电路的输出端相接，在运算放大器17的反向输入端与输出端之间接有电阻R₄，两个输入端之间接有电阻R₁、R₂，两电阻R₁与R₂的连接点通过电容C₁与带通滤波电路12的输出端相接。

这里采用一对场效应管15和16可组成动态范围较大的增益由外加电压AGC控制的压控放大器。图中的控制电压AGC应能随目标的远近自动调整，即当物体靠近时，接收回波信号较大，这时，AGC要小，反之，接收回波信号较小，则AGC要增大。由图4所示的电路可得到满足这一要求的控制电压。

如图4所示控制电压产生电路的具体接法为：在三极管18的集电极与+5V电源之间接有电阻R₇，发射极与集电极之间接有电容C₂、与基极之间接有电阻R₆，基极通过电阻R₅接收门控信号GATE，发射极与运算放大器19的正向输入端之间接有电阻R₉，集电极与运算放大器19的反向输入端之间接有电阻R₈，运算放大器19的反向输入端与输出端之间接有可变电阻R₁₀，输出端产生控制电压至自动增益补偿电路13。

电容C₂与电阻R₂构成积分电路，门控信号GATE通过三极管18控制电压清零。GATE为1时，三极管18导通，电容C₂电压清零，AGC为零；GATE为0时，三极管18截止，电容C₂充电，AGC电压随时间增加，由AGC控制的电路放大器倍数也随之增加(图3)，这样就实现了自动增益补偿。

峰值检测电路14可由图5所示电路实现，具体接法是：运算放大器20的反向输入端与输出端之间接有二极管D₂、与运算放大器21的输出端之间接有电阻R₁₂，运算放大器20的正向输入端与自动增益补偿电路13的输出端相接、并通过电阻R₁₁接地，运算放大器20的输出端与运算放大器21的正向输入端之间接有二极管D₃、电阻R₁₃，运算放大器21的反向输入端与输出端相接，正向输入端通过电容C₃接地，开关管22的发射极和集电极跨接在电容C₃的两端，基极通过电阻R₁₅接收门控信号GATE、并通过电阻R₁₄接地。

采用回波峰值检测技术，其目的是为了消除虚假回波及噪声的干扰。由于这些干扰信号有可能达到域值，但其幅值通常达不到正常回波的峰值，采用回波峰值检测可有效剔除干扰信号，提高传感器的检测精度和可靠性。图5利用运算放大器开环增益大的特点，配合深度负反馈来克服二极管死区电压对测量精度的影响。由运算放大器20和21构成反馈回路，可以忽略二极管D₃的正向压降和温度变化的影响。同时，运算放大器20通过二极管D₃向电容C₃快速充电，充电过程持续到电容C₃的端电压与输入电压相等为止，这一保持电压即峰值电压。若输入电压略低于被保持的电压，运算放大器20的输出电位就向负方向变化，使二极管D₂导通，进入闭环状态。为了阻止峰值采样存储电容C₃通过下一级的输入电阻放电，可选用高输入阻抗的运算跟随器21作为缓冲级。开关管22跨接在电容C₃的两端，当峰值取样完毕后，开关管22开通，使电容C₃迅速放电，电路进入下一峰值检测过程。

由图6所示，渡越时间检测电路2中的每一路具体接法是：采用三个运算放大器23、24及25，运算放大器23的正向输入端与自动增益补偿电路13的输出端相接，反向输入端接阈值信号THRESHOLD，输出端通过单稳延时电路26接至与门27，运算放大器24的正向输入端与峰值检测电路14的输出端相接，反向输入端接峰值阈值信号，输出端接至与门27，与门27的输出端接至触发电路28，运算放大器25的正向输入端接地，反向输入端与运算放大器23的正向输入端相接，输出端接至触发电路28，超声波发射电路9的输出端接至触发电路28，触发电路28的输出端与计时电路7相接。

渡越时间检测电路2综合运用可变域值检测、回波峰值检测、过零检测等技术，可得到准确、可靠的计时器(停止)触发脉冲，即只有当这三个信号都检测到时，计时器才停止计时，可保证准确的回波检测时间。过零检测的原理如图7所示，采用域值检测，对于不同幅值的信号、其检测时间(触发相位)是不同的，THRESHOLD是阈值，两个不同幅值的回波信号达到阈值的时刻是不同的，如图中的t₁、t₂点，而零点检测可保证在回波幅值不同的情况下，也能在同一时刻检测到回波，如图中的0点。

由于采用了上述的自动增益补偿电路、峰值检测电路及渡越时间检测电路，该装置还具有检测精度高，可靠性好，测量范围大等优点。

图8所示，将两个超声波接收探头J₁、J₂分别固定在工作平面S的合适位置，探头接收面的法线方向指向S平面的几何中心点，发射探头F为待测动点，可在工作平面上自由移动。通过超声波检测装置测取发射探头F(动点)与接收探头J₁和J₂(定点)之间的距离d₁和d₂。将获取的距离信息(数据)d₁和d₂通过RS-232串行接口送入上位机(PC机)6，由键盘输入接收探头J₁、J₂的坐标值J₁(O,O)和J₂(X₂,O)，便可计算出动点发射探头F的坐标值F(X₀,Y₀)，完成二维超声波检测与平面定位。

由图9所示的装置与图1的区别在于，本装置采用三个接收探头J₁、J₂和J₃，同样地，模拟信号处理电路5完成三路接收信号的前置放大、通道选择，带通滤波、自动增益补偿和峰值检测。渡越时间检测电路2将模拟信号处理电路1输出的三路信号转化为计时值。

由图10所示，将三个超声波接收探头J₁、J₂、J₃分别固定在工作在空间V(三维空间)的合适位置，探头接收面的法线方向指向空间V的几何中心点，发射探头F作为待测动点可在工作空间V内自由运动。通过超声波检测装置测取发射探头F(动点)与接收探头J₁、J₂和J₃(定点)之间的距离d₁、d₂和d₃。将获取的距离信息(数据)d₁、d₂和d₃通过RS-232串行接口送入上位机(PC机)6，由键盘输入接收探头J₁、J₂、J₃的坐标值J₁(O,O,O)、J₂(X₂,O,O)和J₃(O,Y₃,O)，便可计算出发射探头F(动点)的三维空间坐标值F(X₀,Y₀,Z₀)。

Claims (6)

1、一种超声波检测与定位装置，包括发射探头(F)，接收探头(J₁)，时序控制电路(8)，超声波发射电路(9)，计时电路(7)，单片机(5)，

本实用新型的特征在于，它还包括：

a．接收探头(J₂)或接收探头(J₂)和(J₃)；

b．模拟信号处理电路(1)，完成每一路超声波接收信号的处理；

c．渡越时间检测电路(2)，将模拟信号处理电路(1)输出的每一路信号转化为计时值；

d．上位机(6)，完成动点位置坐标值的计算和动态显示。

2、根据权利要求1所述的检测与定位装置，其特征在于：模拟信号处理电路(1)中的每一路由前置放大电路(10)，通道选择电路(11)，带通滤波电路(12)，自动增益补偿电路(13)及峰值检测电路(14)组成。

3、根据权利要求1所述的检测与定位装置，其特征在于：自动增益补偿电路(13)的接法为，一对场效应管(15)、(16)的漏极分别接在运算放大器(17)的正向输入端和反向输入端，场效应管(16)的源极与栅极之间接有电阻R₃，栅极通过二极管D₁与控制电压产生电路的输出端相接，在运算放大器(17)的反向输入端与输出端之间接有电阻R₄，两个输入端之间接有电阻R₁、R₂，两电阻R₁与R₂的连接点通过电容C₁与带通滤波电路(12)的输出端相接。

4、根据权利要求3所述的检测与定位装置，其特征在于：上述控制电压产生电路的接法为，在三极管(18)的集电极与+5V电源之间接有电阻R₇，发射极与集电极之间接有电容C₂、与基极之间接有电阻R₆，基极通过电阻R₅接收门控信号GATE，发射极与运算放大器(19)的正向输入端之间接有电阻R₉，集电极与运算放大器(19)的反向输入端之间接有电阻R₈，运算放大器(19)的反向输入端与输出端之间接有可变电阻R₁₀，输出端产生控制电压至自动增益被偿电路(13)。

5、根据权利要求2所述的检测与定位装置，其特征在于：峰值检测电路(14)的接法为，运算放大器(20)的反向输入端与输出端之间接有二极管D₂、与运算放大器(21)的输出端之间接有电阻R₁₂，运算放大器(20)的正向输入端与自动增益被偿电路(13)的输出端相接、并通过电阻R₁₁接地，运算放大器(20)的输出端与运算放大器(21)的正向输入端之间接有二极管D₃、电阻R₁₃运算放大器(21)的反向输入端与输出端相接，正向输入端通过电容C₃接地，开关管(22)的发射极和集电极跨接在电容C₃的两端，基极通过电阻R₁₅接收门控信号GATE、并通过电阻R₁₄接地。

6、根据权利要求1所述的检测与定位装置，其特征在于：渡越时间检测电路(2)中的每一路接法为，采用三个运算放大器(23)、(24)及(25)，运算放大器(23)的正向输入端与自动增益补偿电路(13)的输出端相接，反向输入端接阈值信号THRESHOLD，输出端通过单稳延时电路(26)接至与门(27)，运算放大器(24)的正向输入端与峰值检测电路(14)的输出端相接，反向输入端接峰值阈值信号，输出端接至与门(27)，与门(27)的输出端接至触发电路(28)，运算放大器(25)的正向输入端接地，反向输入端与运算放大器(23)的正向输入端相接，输出端接至触发电路(28)，超声波发射电路(9)的输出端接至触发电路(28)，触发电路(28)的输出端与计时电路(7)相接。

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