琚晓涛， 谷立臣， 闫小乐

(1.西安建筑科技大学 机电学院,陕西 西安 710055；

2.西安科技大学 理学院,陕西 西安 710055)

0 引 言

超声测距技术作为一种以超声波为信息载体的非接触式检测手段，与红外传感技术、雷达技术等相比，可以全天候工作，具有成本低、可靠性好、不易受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰影响等优点[1]。超声测距技术已广泛应用于现场机器人导航、车辆安全避障系统、物位测量等工业领域[2]。然而，目前超声波空气测距技术作用距离较短(一般小于15 m)，使其应用范围受到了极大的制约[3]。远距离超声波测距技术不仅依赖于高性能的超声传感器，而且与超声波激励脉冲有关。超声发射电路设计和超声波激励脉冲选择均直接影响到超声波发射功率。

本文通过对典型超声传感器激励脉冲的功率谱分析，设计了双极性发射电路，增大了超声传感器的发射功率，提高了超声波测距的探测距离。

1 超声传感器工作机理

远距离超声测距系统的核心部件是超声传感器，其基本原理是通过测量超声发射脉冲和回波脉冲的时间间隔Δt实现的。障碍物与传感器之间的距离由式(1)可得

d=c·Δt/2.

(1)

其中，波速c通过测量环境温度间接获得[4]。

在选择超声传感器时，应综合考虑谐振频率、指向性、工作电压等技术指标。本文选用的为压电陶瓷防水型超声传感器，它被广泛应用于介质为空气的测距场合。

压电陶瓷超声传感器通常包括一个电能储存元件和一个机械振动系统[5]。当超声传感器处于发射状态时，激励信号将引起电能储存元件中电场的变化，通过逆压电效应对传感器的机械振动系统产生一个推动力，从而向空气中辐射超声波。从能量的角度来考虑，发射传感器将电能转换成机械能，再转换成声能

Pa=Peηmeηma.

(2)

其中，Pa为发射声功率，Pe为激励脉冲电功率，ηme为机电转换效率，ηma为机声转换效率。

2 超声激励脉冲功率谱分析

由超声传感器的工作原理分析可知，超声发射功率与超声传感器激励脉冲电功率、机电转换效率、机声转换效率有关。针对某一确定的超声传感器来讲，机电转换效率、机声转换效率是一定的，这里主要探讨超声发射功率与典型激励脉冲之间的关系。

对矩形波、三角波、正弦波3种典型激励脉冲进行功率谱分析，研究其频率分布情况。图1中的(a),(b),(c)分别用来模拟脉宽为400 μs、频率为22 kHz的矩形波、正弦波、三角波3种双极性高压激励脉冲。图2(a)体现了矩形波超声激励脉冲功率谱图，虽然矩形波脉冲含有多次谐波，但主要能量集中在22 kHz，且频率成份较大;图2(b)体现了正弦波超声激励脉冲功率谱图，正弦波仅含有22 kHz单一频率;图2(c)体现了三角波超声激励脉冲功率谱图，其中有少量谐波。从图中可以直观地看出:虽然3种类型的脉冲都含有基频成份，但在22 kHz频率点上矩形波功率最大。从发射功率上来讲，矩形波脉冲发射效果最好，正弦波脉冲次之，三角波脉冲最差。

图1 超声激励脉冲

图2 超声波激励脉冲功率谱图

3 双极性超声发射电路设计

实现远距离空气超声波测距，不仅仅需要使超声传感器具有较大的发射功率，还需要易于实现超声波形的控制，例如：对脉冲的幅值、个数、频率和占空比等参数的调整。

超声传感器的发射功率一般随着工作频率而变化，在与其机械谐振频率相等时，传感器机械振动系统的逆压电效应最明显，可以获得最大的发射声功率[6]。矩形脉冲激励信号作为一个与传感器压电振子谐振频率相等的交流信号，其实现方式通常有振荡—放大型和逆变型2种:第一种方式利用振荡电路产生小功率激励信号，再经脉冲变压器升压后驱动传感器工作。这种方式能够获得高压激励信号，具有易于实现阻抗匹配等优点，但脉冲不易进行波形参数的控制，电路实现较为复杂[7,8]。第二种方式利用逆变原理将经整流的直流电变为超声频交流电[9]。这种方式将直流电源功能与控制变换功能分开，具有易于实现超声波形参数控制的优点。

基于以上考虑，本文利用双极性PWM控制逆变原理，将直流电源经AC/DC转换后，通过“H”型控制电路输出交流激励信号，其电路原理图如图3所示。其工作原理是：由微控制器输出的超声脉冲控制信号，经过高速光电耦合器，进入“H”型变换电路的左、右端口。桥式变换电路由6只高速、大功率三极管组成，均工作在饱和导通状态。通过T1,T4和T2,T3 配对的工作实现超声传感器两端的交流驱动。该电路不仅可以容易控制超声发射脉冲参数，另外,由于其峰峰电压值比常规驱动电路翻了1倍，还有效降低了驱动电路的直流电压，具有较大的峰值电流，提高了带载能力。

图3 双极性超声波发射电路图

4 超声波激励脉冲实验研究

4.1 典型超声激励脉冲实验

为了验证不同激励脉冲对超声发射功率的影响，将接收传感器和发射传感器间距1 m对射方式放置，将函数信号发生器电压调节为10 V，函数信号发生器频率调节为22 kHz，激励源信号选择三角波、正弦波、矩形波，测量回波信号。3种激励信号下的回波幅值比较如表1所示。

表1 超声回波峰峰值

由表2可见，矩形波激励脉冲回波峰峰值最大，正弦波激励脉冲回波峰峰值次之，三角波激励脉冲峰峰值最小，与前面的功率谱仿真分析结果是一致的。矩形激励脉冲的发射功率最大，向空气中辐射的能量也就越大，有利于实现远距离空气超声波测距。

4.2 超声波激励脉冲电压实验

双极性发射电路中所需的AC/DC模块输出的激励电压决定着超声传感器的发射功率。激励电压过大，会增加AC/DC模块制作成本和难度，超过耐压值后会对超声传感器内部电路和机械部分造成损坏。为确定激励电压，将超声发射传感器与接收传感器正对1 m放置，利用设计的双极性发射电路不断调整激励电压。如图4所示，根据激励电压与回波信号强度实验曲线，可以推断当超声传感器激励电压为320V时，回波幅值达到最大值的95 %，能够发射大功率超声波。

图4 超声激励电压与回波强度曲线

4.3 超声激励脉冲个数实验

超声传感器激励信号是以脉冲序列的方式来发射的，每个脉冲序列中包含一定数量的矩形脉冲。脉冲个数太少无法产生足够的能量激励超声传感器正常工作；而脉冲数量越多，盲区就越大[10]。为确定合适的激励脉冲个数，将发射传感器与接收传感器正对放置，距离分别为1,5,7 m，测量超声回波。超声发射传感器激励信号为矩形脉冲信号，幅值为320 V，环境温度为16 ℃。

图5给出了超声回波最大振幅与发射传感器激励脉冲个数关系的实验曲线。从图5可以看出:当超声传感器激励脉冲为10个时，其幅值已达到最大幅值的90 %左右。同时，在满足较大发射功率的前提下，超声脉冲个数选为10个时盲区最小。

图5 超声回波最大振幅与脉冲个数关系曲线

4.4 超声波脉冲测距实验

超声波激励信号和回波信号分别经模/数转换后，通过数据总线传输并记录在计算机上。数据采样频率为200 kHz，接收端放大器的电压增益为60 dB。系统使用LabVIEW软件完成超声波激励控制信号和超声回波的同步采集、存储以及分析等功能。实验时，发射传感器与接收传感器同一水平放置，正对平板障碍物，其尺寸为120.0 cm(宽)×84.5 cm(高)×2.2 cm(厚)，实验环境温度为29 ℃，测距实验结果如表2所示。

表2 超声波测距实验结果

5 结 论

1)通过对典型激励脉冲的功率谱分析可知，矩形波脉冲激励超声发射传感器发射功率最大。

2)针对本文选择的超声传感器，当超声传感器被10个峰峰值为640 V的矩形波脉冲激励时，具有较大的发射功率，为合理选择远距离超声测距激励脉冲提供了依据。

3)双极性超声发射电路长时间工作，所用元器件均无过热现象。激励出的大功率高压超声脉冲波形易于控制，能够稳定、可靠地检测25 m处的障碍物。

参考文献:

[1]Yan Xiaole, Gu Lichen.Time-delay estimation of ultrasonic echoes based on the physical model matching[C]∥8th IEEE International Conference on Automation Science and Engineering,Seoul, Korea,2012.

[2]张和生,宋明耀.车载超声测距仪的研制[J].仪表技术与传感器,2003(2):26-28.

[3]祝 琴,王 琪,刘 浩.大量程超声波测距系统[J].兵工自动化，2009，28(8):35-37.

[4]Parrila M,Anaya J J,Fritsch C.Digital signal processing techniques for high accuracy ultrasonic range measurements[J].IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement,1991,40(4):759-763.

[5]林书玉.超声换能器的原理及设计[M].北京：科学出版社，2004：1-3.

[6]郑音飞，陈裕泉.超声换能器发射激励能量利用率的研究[J].传感技术学报，2007，20(2)：374-376.

[7]Svilainis L, Motiejūnas G.Power amplifier for ultrasonic transducer excitation[J].Ultragarsas (Ultrasound), 2006,58(1):30-36.

[8]隋卫平，潘仲明，王跃科.一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路设计[J].国防科技大学学报,2004,26(3):107-111.

[9]高 睿，赵 辉.超声波物位计收发电路设计[J].计量技术,2010 (5):12-15.

[10] 简 盈，王跃科，潘仲明.超声换能器驱动电路及回波接收电路的设计[J].自动化与仪器仪表,2004 (11):31-34.