本實用新型屬于超聲波測距領(lǐng)域，尤其涉及一種無盲區(qū)超聲波測距探頭。

背景技術(shù)：

超聲波遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，其特點是沿直線傳播，具有良好的成束性，方向性好，在介質(zhì)的分界面處會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后其振動幅度會因介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減。超聲波的頻率可以非常高，達(dá)到兆赫級。

超聲波在同一介質(zhì)中的傳播速度基本恒定，因此利用測量超聲波在該介質(zhì)中經(jīng)過一段距離所用的時間，可以實現(xiàn)非接觸式測距。為了提高測距的精確度，必須精確測量超聲波在介質(zhì)中傳播時所經(jīng)過的時間(即踱越時間)。

在反射式超聲波測距方案中，超聲波發(fā)射器和超聲波接收器是放置在一起的，當(dāng)超聲波發(fā)射器工作時，機(jī)械振動會通過電路板最先傳到接收器，通過空氣傳播的超聲波也會到達(dá)接收器，這些波稱為串?dāng)_直通波(也稱泄漏波)，當(dāng)激勵超聲波發(fā)射器的電信號停止后，由于機(jī)械慣性的因素，超聲波發(fā)射器振子依然會振動數(shù)個周期。在此期間，超聲波接收器一直受到串?dāng)_直通波的影響，無法正確分辨超聲波回波信號，只有串?dāng)_直通波的影響消失后，超聲波接收器才能正確分辨超聲波回波信號；串?dāng)_直通波影響的時間就是超聲波測距的盲區(qū)，通常以這段時間超聲波在介質(zhì)中傳播的距離來表示，現(xiàn)有的收發(fā)一體超聲波換能器約有30cm的測距盲區(qū)。

降低測距盲區(qū)的的方法主要有兩種。一是從換能器的結(jié)構(gòu)入手，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，在考慮提高換能器靈敏度的同時，采取恰當(dāng)措施抑制余振和附頻振動，從而使換能器具有較高的靈敏度且有較小的發(fā)射波拖尾，但這種方法也同樣面臨著提高靈敏度和減小發(fā)射波拖尾的矛盾，作用有限。另一種方法是從信號放大電路入手，采用時變增益放大器，即根據(jù)回波信號的幅度隨傳播時間按指數(shù)規(guī)律衰減的特點，將接收放大器設(shè)計成增益隨時間按指數(shù)規(guī)律增加的時變增益放大器，在一定范圍內(nèi)，使遠(yuǎn)近不同的回波信號都能均衡地放大到適當(dāng)?shù)姆?，避免了發(fā)射波拖尾信號的過放大，因此，在一定程度上減小了測量盲區(qū)。然而，分析可知，這種方法是靠控制增益來達(dá)到抑制測量盲區(qū)的。影響盲區(qū)大小的發(fā)射波拖尾信號能被抑制的前提條件是回波信號幅度必須大于相應(yīng)位置拖尾信號的幅度，所能獲得的盲區(qū)的最小極限是回波信號的幅度與相應(yīng)位置發(fā)射拖尾信號幅度相等時對應(yīng)的測量距離，顯然實際盲區(qū)比這還要大。要想進(jìn)一步減小測量盲區(qū)，時變增益抑制的方法已無能為力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于反相疊加原理的無盲區(qū)超聲波測距探頭。

本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種無盲區(qū)超聲波測距探頭，該探頭包括處于同一平面上的超聲波發(fā)射器T、第一超聲波接收器R1和第二超聲波接收器R2，第一超聲波接收器R1和第二超聲波接收器R2與超聲波發(fā)射器T距離相同且處于超聲波發(fā)射器T的同一側(cè)；第二超聲波接收器R2由一個側(cè)面開槽的容器覆蓋，可以隔離回波，該容器開槽的方向正對著超聲波發(fā)射器T。

進(jìn)一步地，該探頭還包括首級放大器、次級放大器、末級放大器、整流電路、濾波電路、電壓比較器、控制器和功率驅(qū)動電路；所述第一超聲波接收器R1和第二超聲波接收器R2接收的信號分別經(jīng)過首級放大器放大后，共同輸入次級放大器，次級放大器的輸出信號依次經(jīng)末級放大器、整流電路、濾波電路后，輸入到電壓比較器，電壓比較器的輸出連接控制器；功率驅(qū)動電路一端連接超聲波發(fā)射器T，另一端連接控制器；所述首級放大器采用反相放大器，所述次級放大器采用增益可控的減法器，所述末級放大器采用諧振選頻放大器。

本實用新型的有益效果是：本實用新型提供的一種無盲區(qū)超聲波測距探頭，采用處于同一平面上的超聲波發(fā)射器T、第一超聲波接收器R1和第二超聲波接收器R2，第一超聲波接收器R1和第二超聲波接收器R2與超聲波發(fā)射器T距離相同且處于超聲波發(fā)射器T的同一側(cè)，能同時等幅地受到超聲波發(fā)射器T串?dāng)_直通波的影響，對于超聲回波信號而言，由于R₂被一個側(cè)面開槽的容器所覆蓋，因此接收不到回波信號，而R₁卻可以無阻礙地接收回波信號。因此只要將R₁、R₂輸出的電信號進(jìn)行反相疊加就可以完全消除串?dāng)_直通波的影響，而對于回波信號而言，由于R₂接收不到回波，反相疊加的結(jié)果就是只輸出R₁接收到的電信號，串?dāng)_直通波的影響被消除。因此，本發(fā)明探頭可完全消除串?dāng)_直通波的影響，實現(xiàn)無盲區(qū)超聲波測距，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，效果好。

附圖說明

圖1中(a)是超聲波發(fā)射器T和超聲波接收器R₁、R₂的結(jié)構(gòu)布局圖，(b)是R₂由一個側(cè)面開槽的容器覆蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是通過本實用新型探頭實現(xiàn)超聲波測距的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是各功能模塊輸出的波形圖；

圖4是本實用新型無盲區(qū)超聲波測距探頭的電路原理圖；

圖中，首級放大器1、次級放大器2、末級放大器3、整流電路4、濾波電路5、電壓比較器6、控制器7、功率驅(qū)動電路8、障礙物9。

具體實施方式

下面根據(jù)附圖詳細(xì)描述本實用新型，本實用新型的目的和效果將變得更加明顯。

本實用新型提供的一種基于反相疊加原理的無盲區(qū)超聲波測距探頭，該探頭包括一個超聲波發(fā)射器T和兩個超聲波接收器R₁、R₂，兩個超聲波接收器R₁、R₂與超聲波發(fā)射器T距離相同且處于超聲波發(fā)射器的同一側(cè)，超聲波發(fā)射器T和超聲波接收器R₁、R₂處于同一平面上，如圖1中(a)所示；第二超聲波接收器R₂與第一超聲波接收器R₁的不同之處在于，R₂由一個側(cè)面開槽的容器覆蓋，該容器開槽的方向正對著超聲波發(fā)射器T，如圖1中(b)所示。

對于圖1中(b)所示的結(jié)構(gòu)布局，超聲波接收器R₁、R₂，能同時等幅地受到超聲波發(fā)射器T串?dāng)_直通波的影響，但對于超聲回波信號而言，由于R₂被一個側(cè)面開槽的容器所覆蓋，因此接收不到回波信號，而R₁卻可以無阻礙地接收回波信號。因此只要將R₁、R₂輸出的電信號進(jìn)行反相疊加就可以完全消除串?dāng)_直通波的影響，而對于回波信號而言，由于R₂接收不到回波，反相疊加的結(jié)果就是只輸出R₁接收到的電信號，串?dāng)_直通波的影響被消除。

圖2描述了基于上述探頭實現(xiàn)超聲波測距的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括超聲波發(fā)射器T，第一超聲波接收器R1，第二超聲波接收器R2，用于驅(qū)動超聲波發(fā)射器T的功率驅(qū)動電路8，用于放大超聲波接收器信號的首級放大器1，次級放大器2，末級放大器3，整流電路4，濾波電路5，電壓比較器6，控制器7。

控制器7輸出超聲波載波信號，其頻率與超聲波發(fā)射器T的工作頻率相對應(yīng)，通常為40kHz，此信號經(jīng)功率驅(qū)動電路8放大后接到超聲波發(fā)射器T，由于超聲波發(fā)射器T是機(jī)械振子，其振動幅度呈指數(shù)規(guī)律從0增加至穩(wěn)幅，發(fā)射的超聲波的聲壓幅度也呈指數(shù)規(guī)律增加，如圖3(a)所示。當(dāng)控制器7停止輸出超聲波載波信號時，由于機(jī)械慣性的緣故，發(fā)射探頭的振動幅度呈指數(shù)規(guī)律衰減至0，超聲波的聲壓幅度也呈指數(shù)規(guī)律衰減至0，如圖3(a)所示。當(dāng)超聲波發(fā)射器T開始振動時，除了向空間發(fā)射超聲波，其機(jī)械振動還會沿著固體殼體表面呈扇形傳播，由于超聲波接收器R₁、R₂與超聲波發(fā)射器T的距離相等且在同一傳播扇形面上，因此會同時等幅地感受到這種振動，由于在固體殼體中傳播的速度快于在空氣中傳播的速度，超聲波接收器R₁、R₂會先收到固體殼體傳播的振動，而后收到空氣傳播的振動，最終R₁、R₂輸出的是兩種同頻波的疊加波形，如圖3(b)、3(c)所示。

當(dāng)空氣中傳播的超聲波遇到障礙物時會產(chǎn)生反射，由于R₂被一個側(cè)面開槽的容器所覆蓋，因此R₂接收不到回波，只有R₁可以接收到回波，如圖3(b)所示。

超聲波接收器R₁、R₂輸出的電信號極其微弱，須經(jīng)過放大后才能加以利用，因此圖2中的兩個首級放大器1先把R₁、R₂輸出的電信號放大一定倍數(shù)后，才由次級放大器2進(jìn)行減運算，次級放大器2將減法器輸出的信號作進(jìn)一步放大，以盡量提高接收的靈敏度，整流和濾波電路將交流信號變換成直流脈動信號供電壓比較器6使用，當(dāng)回波信號的幅度大于參考電壓V_T時，電壓比較器6的輸出就會由低電平變?yōu)楦唠娖?，如圖3(f)所示。從控制器7輸出超聲波載波信號開始，到電壓比較器6輸出腳的邏輯由低電平變?yōu)楦唠娖?，之間經(jīng)歷了時間Δt₂，這段時間就是超聲波從超聲波發(fā)射器T傳播到障礙物9再返回到超聲波發(fā)射器T所經(jīng)歷的時間，因此超聲波發(fā)射器T與障礙物9之間的距離其中：c是超聲波在空氣中的傳播速度，單位是m/s，T是環(huán)境溫度。

超聲波接收器R₁、R₂與超聲波發(fā)射器T之間的直線傳播路徑上要盡量保持相同的振動條件和空間條件，更加清晰的解釋是，固定超聲波接收器R₁、R₂和超聲波發(fā)射器T的電路板在設(shè)計時要盡量避免在R₁與T之間、R₂與T之間放置器件、開槽，以免影響機(jī)械波沿電路板由T向R₁、R₂的振動特性，影響R₁、R₂接收由電路板傳播的串?dāng)_直通波的一致性；在空間上，R₁與T之間、R₂與T之間也盡量不要放置障礙，以免影響R₁、R₂接收由空間傳播的串?dāng)_直通波的一致性，盡量保證反相疊加后完全消除串?dāng)_直通波的影響。

在電路設(shè)計上，超聲波接收器R₁、R₂的信號處理采用三級放大的電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在放大器的元件選擇上，低噪聲放大器LF356成為首選，為了降低首級放大器中電阻元件的噪聲影響，首級放大器1采用反相放大，這樣電阻R1_2、R1_5可以選擇較小的阻值，從而有利于降低放大器的噪聲。在R1_2、R1_5阻值的選擇上，R1_2、R1_5宜盡量接近超聲波接收器R₁、R₂的輸出電阻，盡可能地做到功率匹配，提高聲-電轉(zhuǎn)換效率。平衡電阻R1_1、R1_4的阻值為R1_2、R1_3和R1_5、R1_6的并聯(lián)電阻值，以期盡可能地減小輸入失調(diào)電流對放大器增益的影響；首級放大器的電壓增益由決定。

次級放大器2由IC3實現(xiàn)，為一增益可控的減法器電路，放大器輸出的信號為同相端輸入的信號減去反相端的信號后再乘以電阻比末級放大器3為諧振選頻放大器，其目的是降低放大器的工作帶寬，提高信噪比；電阻R1_11用于調(diào)節(jié)諧振回路T1_1、C1_4的Q值，調(diào)節(jié)本級放大器的工作帶寬和電壓增益。C1_5、D1、D2則構(gòu)成倍壓整流電路，R1_13、C1_6、R1_14、C1_7則構(gòu)成兩級低通濾波電路，濾波后輸出的為回波信號的幅度，此信號接至電壓比較器IC6的同相輸入端，電壓比較器IC6的反相輸入端連接至R1_15、C1_8、R1_16構(gòu)成的電壓基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)電壓為當(dāng)回波信號的幅度超過這個電壓基準(zhǔn)時，電壓比較器IC6的輸出就會從邏輯0變成邏輯1。

控制器7選用AVR單片機(jī)ATMEGA8-16AU，其PD口的兩個引腳PD6、PD7輸出一串差動的方波，在邏輯驅(qū)動芯片74HC573的4路并聯(lián)驅(qū)動下，推動超聲波發(fā)射器T發(fā)出超聲波。由于采用差動的驅(qū)動方式，因此加在超聲波發(fā)射器T上的驅(qū)動電壓幅度為電源電壓的兩倍。

本實用新型提供了一種無盲區(qū)超聲波測距探頭，通過具有特定特征的安裝結(jié)構(gòu)完全消除了串?dāng)_直通波的影響，實現(xiàn)無盲區(qū)超聲波測距，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，效果好。

本實用新型描述的一種無盲區(qū)超聲波測距探頭，所述的細(xì)節(jié)僅僅為較佳的實施方式，但并非僅僅局限于此，其實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何基于本實用新型原理下所作的改變、修飾、組合、簡化，均視為等效的置換方式，均包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。