一種超聲波大量程測距系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測距技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種超聲波大量程測距系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波傳感器縱向分辨率高，信息處理簡單，性能好，價(jià)格低，對(duì)光照變化、煙霧灰 塵、色彩偽裝、電磁干擾等環(huán)境具有極強(qiáng)的適應(yīng)性。利用超聲波測距在很多場合應(yīng)用，例如 汽車防撞、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、機(jī)器人避障等。
[0003] 但是由于市場常見的超聲波傳感器波束角較大、指向性較差及超聲波在空氣中的 強(qiáng)烈衰減，大量程超聲檢測時(shí)回波信號(hào)極其微弱，回波信號(hào)信噪比較低，因此現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用 領(lǐng)域的超聲檢測系統(tǒng)檢測距離較近，一般小于10米，不滿足大量程測量的需要。具體原因分 析如下：1)大量程超聲波檢測時(shí)，超聲傳感器波束角較大使能量過于分散。由于能量主要集 中在波束的中央部分，波束角較大使指向性不尖銳，能量過于分散，增大了被測物定位的不 確定區(qū)域;2)超聲波幅值隨著距離增大衰減強(qiáng)烈，超聲波在空氣中傳播時(shí)，由于幾何衰減和 吸收衰減，聲壓會(huì)隨著傳播距離的增加而呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)形式衰減;3)超聲波福射效率低，超聲 傳感器向空氣介質(zhì)中福射超聲波時(shí)，超聲傳感器的高聲阻抗與空氣介質(zhì)的低聲阻抗無法有 效匹配，導(dǎo)致聲波福射效率很低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種超聲波大量程測距系統(tǒng) 及方法，該系統(tǒng)及方法能夠?qū)崿F(xiàn)大量程測距。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的超聲大量程測距系統(tǒng)包括上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、微 控制器、驅(qū)動(dòng)電路、超聲波發(fā)射傳感器、信號(hào)放大電路、超聲波接收傳感器、發(fā)射聚能罩、接 收聚能罩、W及用于提供電能的系統(tǒng)電源模塊；
[0006] 微控制器的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的輸入端及數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連接，驅(qū)動(dòng)電路 的輸出端與超聲波發(fā)射傳感器相連接，超聲波接收傳感器的輸出端與信號(hào)放大電路的輸入 端相連接，信號(hào)放大電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與 上位機(jī)相連接；
[0007] 超聲波發(fā)射傳感器的福射面套接于發(fā)射聚能罩的喉部，超聲波接收傳感器的福射 面套接于接收聚能罩的喉部。
[000引還包括溫度修正模塊，溫度修正模塊與微控制器相連接。
[0009] 所述超聲波發(fā)射傳感器及超聲波接收傳感器的中屯、頻率均為2沈化。
[0010] 所述驅(qū)動(dòng)電路包括第一Ξ極管、高壓電源、第二Ξ極管、第ΞΞ極管、第四Ξ極管、 第五Ξ極管、第六Ξ極管、第一電阻及第二電阻；
[0011] 微控制器的輸出端與第一Ξ極管的基極、第四Ξ極管的基極、第ΞΞ極管的基極 及第六Ξ極管的基極相連接，第一電阻的一端、第二電阻的一端、第二Ξ極管的集電極及第 五Ξ極管的集電極均與高壓電源相連接，第二Ξ極管的基極與第一電阻的另一端及第一Ξ 極管的集電極相連接，第一Ξ極管的發(fā)射極接地，第五Ξ極管的基極與第二電阻的另一端 及第四Ξ極管的集電極相連接，第四Ξ極管的發(fā)射極接地，超聲波發(fā)射傳感器與第二Ξ極 管的發(fā)射極、第五Ξ極管的發(fā)射極、第ΞΞ極管的集電極及第六Ξ極管的集電極相連接，第 ΞΞ極管的發(fā)射極及第六Ξ極管的發(fā)射極接地。
[0012] 所述信號(hào)放大電路為兩級(jí)集成運(yùn)算放大電路。
[0013] 所述信號(hào)放大電路包括第Ξ電阻、第一運(yùn)算放大器、第四電阻及第二運(yùn)算放大器、 第一滑動(dòng)變阻器及第二滑動(dòng)變阻器；
[0014] 超聲波接收傳感器的輸出端與第Ξ電阻的一端相連接，第Ξ電阻的另一端與第一 運(yùn)算放大器的反相輸入端及第一滑動(dòng)變阻器的一端相連接，第一運(yùn)算放大器的同相輸入端 接地，第一運(yùn)算放大器的輸出端與第一滑動(dòng)變阻器的另一端及第四電阻的一端相連接，第 四電阻的另一端與第二運(yùn)算放大器的反相輸入端及第二滑動(dòng)變阻器的一端相連接，第二運(yùn) 算放大器的同相輸入端接地，第二運(yùn)算放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端及第二滑動(dòng) 變阻器的另一端相連接。
[0015] 本發(fā)明所述的超聲波大量程測距方法包括W下步驟：
[0016] 微控制器連續(xù)生成若干超聲波脈沖序列，并將所述超聲波脈沖序列轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)采 集卡及驅(qū)動(dòng)電路中，數(shù)據(jù)采集卡將所述超聲波脈沖序列轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)中，所述超聲波脈沖 序列經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大為峰峰值為300V-600V的高壓脈沖序列后輸入到超聲波發(fā)射傳感器 中，高壓脈沖序列驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射傳感器產(chǎn)生超聲波，所述超聲波經(jīng)發(fā)射聚能罩發(fā)出傳播 出去，當(dāng)所述超聲波遇到被測物時(shí)，則經(jīng)被測物反射回來，超聲波接收傳感器利用接收聚能 罩接收經(jīng)被測物反射回來的超聲波信號(hào)，所述被測物反射回來的超聲波信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電 路放大后輸入到數(shù)據(jù)采集卡中，數(shù)據(jù)采集卡將被測物反射回來的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī) 中，上位機(jī)計(jì)算接收到的超聲波脈沖序列與被待測物反射回來的超聲波信號(hào)的時(shí)間差，并 根據(jù)所述時(shí)間差計(jì)算超聲波發(fā)射傳感器及超聲波接收傳感器與被測物的間距。
[0017] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0018] 本發(fā)明所述超聲波大量程測距系統(tǒng)及方法在測距的過程中，通過微控制器連續(xù)生 成若干超聲波脈沖序列，所述超聲波脈沖序列通過驅(qū)動(dòng)電路放大為峰峰值為300-600V的高 壓脈沖序列，運(yùn)樣不僅使超聲波發(fā)射傳感器具有較大的發(fā)射功率，還容易實(shí)現(xiàn)高壓脈沖序 列參數(shù)的控制，同時(shí)利用超聲波發(fā)射傳感器上的發(fā)射聚能罩W及超聲波接收傳感器上的接 收聚能罩改善超聲波波束角較大、指向性較差及能量分散的問題，超聲波接收傳感器接收 的超聲波信號(hào)通過信號(hào)放大電路進(jìn)行放大W補(bǔ)償超聲波幅值隨著距離增大的衰減，克服超 聲大量程測量受限的因素，增大檢測的距離，本發(fā)明的超聲探測范圍可達(dá)到30m。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的原理圖；
[0020] 圖2(a)為本發(fā)明的系統(tǒng)電源模塊2中5V轉(zhuǎn)3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路圖；
[0021] 圖2(b)為本發(fā)明的系統(tǒng)電源模塊2中±12V轉(zhuǎn)±9V電壓轉(zhuǎn)換電路圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明中驅(qū)動(dòng)電路4的電路圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明中信號(hào)放大電路9的電路圖；
[0024] 圖5為本發(fā)明中發(fā)射聚能罩6及接收聚能罩7的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 其中，1為溫度修正模塊、2為系統(tǒng)電源模塊、3為微控制器、4為驅(qū)動(dòng)電路、5為超聲 波發(fā)射傳感器、6為發(fā)射聚能罩、7為接收聚能罩、8為超聲波接收傳感器、9為信號(hào)放大電路、 10為數(shù)據(jù)采集卡、11為上位機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0027] 參考圖1，本發(fā)明所述的超聲大量程測距系統(tǒng)包括上位機(jī)11、數(shù)據(jù)采集卡10、微控 制器3、驅(qū)動(dòng)電路4、超聲波發(fā)射傳感器5、信號(hào)放大電路9、超聲波接收傳感器8、發(fā)射聚能罩 6、接收聚能罩7、W及用于提供電能的系統(tǒng)電源模塊2;微控制器3的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路4的 輸入端及數(shù)據(jù)采集卡10的輸入端相連接，驅(qū)動(dòng)電路4的輸出端與超聲波發(fā)射傳感器5相連 接，超聲波接收傳感器8的輸出端與信號(hào)放大電路9的輸入端相連接，信號(hào)放大電路9的輸出 端與數(shù)據(jù)采集卡10的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡10的輸出端與上位機(jī)11相連接;超聲波發(fā) 射傳感器5的福射面套接于發(fā)射聚能罩6的喉部，超聲波接收傳感器8的福射面套接于接收 聚能罩7的喉部。
[0028] 需要說明的是，本發(fā)明還包括溫度修正模塊1，溫度修正模塊1與微控制器3相連 接，通過所述溫度修正模塊采集到的溫度信息對(duì)超聲波的速度進(jìn)行修正;超聲波發(fā)射傳感 器5及超聲波接收傳感器8的中屯、頻率均為22曲Z。
[0029] 參考圖3，所述驅(qū)動(dòng)電路4包括第一Ξ極管Q1、第二Ξ極管Q2、第ΞΞ極管Q3、第四 Ξ極管Q4、第五Ξ極管Q5、第六Ξ極管Q6、第一電阻R1及第二電阻R2;微控制器3的輸出端與 第一Ξ極管Q1的基極、第四Ξ極管Q4的基極、第ΞΞ極管Q3的基極及第六Ξ極管Q6的基極 相連接，第一電阻R1的一端、第二電阻R2的一端、第二Ξ極管Q2的集電極及第五Ξ極管Q5的 集電極均與高壓電源相連接，第二Ξ極管Q2的基極與第一電阻R1的另一端及第一Ξ極管Q1 的集電極相連接，第一Ξ極管Q1的發(fā)射極接地，第五Ξ極管Q5的基極與第二電阻R2的另一 端及第四Ξ極管Q4的集電極相連接，第四Ξ極管Q4的發(fā)射極接地，超聲波發(fā)射傳感器5與第 二Ξ極管Q2的發(fā)射極、第五Ξ極管Q5的發(fā)射極、第ΞΞ極管Q3的集電極及第六Ξ極管Q6的 集電極相連接，第ΞΞ極管Q3的發(fā)射極及第六Ξ極管Q6的發(fā)射極接地，通過微控制器3實(shí)現(xiàn) 發(fā)射脈沖的個(gè)數(shù)、幅值、頻率及占空比的控制。
[0030] 參考圖4,所述信號(hào)放大電路9為兩級(jí)集成運(yùn)算放大電路;具體的，所述信號(hào)放大電 路9包括第Ξ電阻R3、第一運(yùn)算放大器D1、第四電阻R4及第二運(yùn)算放大器D2、第一滑動(dòng)變阻 器R5及第二滑動(dòng)變阻器R6;超聲波接收傳感器8的輸出端與第Ξ電阻R3的一端相連接，第Ξ