高精度超声测距仪的电路设计

　　随着电子技术的发展,超声波测量技术也不断提高,不论是用超声波测量何参数,都存在着超声波的发射和接收问题。不论超声换能器(传感器)的大小、形状、灵敏度有何不同,其工作原理都是一样的,即都是利用压电晶体的电致伸缩效应,将电能转换为机械振动弹性能,即媒质中的超声波。要提高超声测量技术的精度或分辨力,必须从超声波的发射和接收两方面入手,这也是设计超声测量仪器的关键和难点。本文是煤炭青年科学基金项目“高分辨力超声测距方法研究”的电路设计部分,其效果较为理想。

　　一、发射电路设计

　　超声换能器是通过压电晶片的逆效应——电致伸缩,以变化电压激发晶片产生厚薄变化振动,驱动空气产生超声波垂直晶片发射。

　　要保证测距精度,要求发射波形有良好的重复性,但如果发射波形是随机的,则每次带来的误差也是随机变化的,将会使测距精度降低。为避免超声波在障碍物表面反射时造成的各种损失和干扰我们采用了一发、一收两只换能器。

　　发射电路设计的是否合理直接影响发射声功率和波形的重复性。通常发射电路按发射方式分为:单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射,每测距一次,发送、接收一次。间断地激发换能器晶片振动有多种方法。

　　1.可控硅电容放电法

　　先给电容充电以存贮较多静电能,然后对升压变压器初级线圈放电,升压后的电脉冲加在超声换能器上,激发压电晶片振动,发出一束超声波。其优点是电路简单,发射功率大,持续时间短,但波形较复杂,重复性较差。

　　2.微机控制谐振法

　　由微机控制以频率等于超声换能器中心频率的方波或正弦波电压激励换能器,使压电晶片产生由弱到强的强迫振动,引起晶片谐振,则用低的电压,即可产生较强的超声波发射,然后微机控制停止激励,晶片逐渐停振。此种方法产生超声波,起振慢,停振亦慢,不易实现对换能器精确控制,产生波形的重复性亦较差。

　　3.高压放电驱动法

　　此法电路较新颖,其原理基于压电换能器的基本特性——电致伸缩,当沿某方向对晶片加电压时,其厚度改变,产生电致伸缩,在此过程中,可将静电能转化为机械变形弹性能贮存起来。移去电源后,用金属导线将晶片两面突然短接一下,进行瞬间放电,则晶片将从变形状态回向自由状态,这时弹性势能转变为动能,在媒质中产生超声波;若阻尼小,有可能产生多次衰减性振动,若阻尼大,持续几个周期就能停止下来。随着功率mos-fet的发展,由于其驱动简单,开关速度快,控制灵活,所以采用Vmos场效应管作开关元件,效果很好。采用此种驱动方式,其突出的优点是所产生的超声波波形有良好的重复性,非常适合精确测距的需要,是比较理想的发射方式。电路设计和发射波形如图1。