基于无源自振抑制的小盲区超声测距方法.pdf

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1、第35卷第2期振动、测试与诊断Vo1．35No．22015年4月Apr．2015JournalofVibration．Measurement&Diagnosis基于无源自振抑制的小盲区超声测距方法程珩，李瑾。，靳宝全(1．太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室太原，030024)(2．太原理工大学机械电子工程研究所太原，030024)(3．吕梁学院矿业工程系吕梁，033000)摘要防水型收发一体超声波测距换能器所需驱动功率大，激励源去除后产生的无源自振导致了较大的测距盲区，高达30cm，限制了工程应用范围，对此提出了一种可显著

2、减弱无源自振的方法。首先，建立换能器等效电路模型，分析了无源自振产生机理，在此基础上设计出以场效应管为核心的无源自振抑制换能器驱动电路；然后，由于设计的无源自振抑制电路回波信号较弱，进而设计背景噪声阻断电路与脉冲信号叠加电路以增加回波灵敏度，并通过检测脉冲信号叠加电路输出曲线的上拐点准确估计回波时间点。试验研究表明，该方法显著地抑制了无源自振，并可将测距盲区限制在16cm附近。该项研究扩大了超声波测距的工程应用范围，具有较大的应用价值。关键词超声波；测距；盲区；无源自振中图分类号TB551孟庆浩等提出利用混沌脉冲位置调制以消除实时引言超

3、声测距系统的串扰。Queir6s等_7利用收发信号之间的交叉相关性确定飞行时间与正珐拟合收发信超声波测距技术具有适用范围广、抗电磁干扰号确定相移的方法提高超声波测距精度。赵海等L8能力强、对被测物体的表面性能和光线适应能力强、通过温度、距离衰减及时间差测量进行补偿的方法成本低等特点，因而广泛应用于液位测量、移动机器改进了基于TDOA原理的超声波测距系统。人定位和避障、汽车防撞和曲面仿形检测等领域。Huang等通过发射两束具有180。相移的调幅超目前，常用的超声波换能器为压电式与静电式，声波脉冲，检测回波脉冲中自相消干涉的方法以准静电式换

4、能器在工业现场的应用有较大局限性_】]，确确定飞行时间，提高测距精度。柳建楠等口。。提出工业现场多采用压电式换能器。压电式换能器可分了一种基于小波变换的超声回波滤波算法。童峰为收发一体型与收发分体型，防水型与不防水型，等[11]推导并用试验验证了测距回波包络曲线的近防水收发一体换能器式超声波测距传感器具有体积似方程，并提出基于归一化包络曲线方程的抗起伏小，安装使用便利，环境适应性好等优势因而具有最信号处理方法以提高测距精度。以上研究从不同的广泛的应用潜力。但现有的防水收发一体超声波换角度提出了提高超声波测距的精度与准确度的方能器驱动方法

5、具有约30cm的测距盲区，限制了测法，但超声波测距盲区的问题仍然影响测距系统的距系统的使用范围，因此在需近距离测距的特定场应用，减小测距盲区的研究对于扩大其使用范围具合该换能器没有得到很好的应用。有重要意义。近年来，针对超声波测距的研究主要集中在通过硬件与算法的优化提高其精度与准确度。曹茂永1压电超声波换能器无源自振产生等l2提出了用自相关技术实现高噪声背景下超声回机理波信号识别的方法。罗本成等[3针对移动机器人中超声测距的不确定性特点提出了一种新型的鲁棒自1．1压电超声波换能器等效电路模型适应建模方法。陈先中等_4设计了低噪声回波测距

6、系统，并通过曲线拟合搜索椭圆中心点的方法寻超声波压电换能器利用陶瓷压电片的压电效应找到回波信号峰值点以提高超声测距系统的精度。与逆压电效应实现电脉冲信号和超声波信号之间的*国家自然科学基金资助项目(51375327)；山西省攻关资助项目(20140321018～02)收稿日期：2013一10—29；修回日期：2014—12—30370振动、测试与诊断第35卷相互转换，依据KLM等效电路理论，将压电换能器动电路基本结构如图3中A电路所示，换能器T的的电学特性用集中参数表示后建立其等效电路模机械共振频率为40kHz，发射阶段以40kHz频率

7、型，如图1所示。的方波控制三极管Q导通与截止，利用三极管与升压变压器将发射信号放大；同时换能器静态等效电容C。，升压变压器次级绕组L和电阻R构成RLC并联电路，利用RLC电路谐振特性放大电压叠脉冲以驱动换能器工作。在回波接收阶段回波通过压电式换能器引起的图1换能器及其等效电路微弱电脉冲信号通过RLC并联电路的谐振作用增Fig．1Thetransduceranditsequivalentcircuit强信号，提高其信噪比。升压变压器次级线圈电感值L与换能器静态电容C。的匹配关系为图1中：R。为静态电阻，阻值很大，实际应用中一蕊1_3可忽略

8、L1；C。是换能器在静态时的等效电容值；串27c√L2C0联的动态电感L、动态电容C及动态电阻R为压其中：-厂一40kHz。电换能器在振动并辐射能量时动态阻抗，它是由于此类型驱动电路具有结构简单，驱动效率高