数字式超声波位移测量仪的研究

　　1　引言

　　随着电子、计算机科学的发展,机械人控制系统不断出现,机械人的动作大多采用液压行程缸来实现,为了保证机械人动作的准确性和可靠性,提出了行程缸的活塞位置和速度测量问题。目前大多数场合采用差动变压器位移传感器和导电塑料电阻式传感器测量活塞位移和速度,其速度测量是通过硬件或软件对位移微分实现的。这些测量方法存在噪声干扰问题,同时提高频率响应也较为困难,因此,我们研制了数字式超声波位移测量仪。该测量仪采用脉宽调制和微机数据处理方案,结构新颖、测量精度高、频率响应快、测量方便。有一定使用和推广价值。

　　2　仪器构成

　　本测量仪是由信号发送器、信号接收器和数据处理系统组成,其结构如图1所示。

　　(1)信号发送器

　　信号发送器是由矩形波发生器、窄脉冲形成器和功率发射级组成,其电路如图2所示。采用定时器LM555构成矩形波发生器,其振荡周期T=0.693(RA+2RB)C,当电路元件参数选择RA=55kΩ,RB=55kΩ,C=0.01μF时,则振荡器的频率为1kHz。由于电容充放电时间与电源电压无关,因而振荡器的频率也与电源电压无关。

　　矩形波发生器的输出经CD4047单稳多谐振荡器形成窄脉冲,其宽度τM=2.48R1C1=1μs,这里选择电容C1=240pF,则R1=τM/2.48C1=2kΩ。单稳多谐振荡器的两个输出端分别连接功率发射级和控制触发器。

　　功率发射极采用高电压、高转换速率的运算放大器LH0033。为了提高输出功率,采用一级分立元件推动变压器L。输出变压器L的次级线圈NS与C3调谐在工作频率f0=200kHz上,其匝数比是由负载阻抗决定的。为了不超过超声波换能器的规范。峰—峰输出电压用下面公式调整:VP-P=2VDD(NS/NP)。本仪器所用超声波换能器为锆钛酸铝晶片,自然频率为200kHz左右。其探头的吸收块由对声能吸收很强的钨粉和环氧浇铸。因此,超声脉冲甚窄,可减少盲区。

　　(2)信号接收器

　　它是由接收放大器1、2、衰减电路、脉宽转换电路组成。如图3所示由超声波换能器接收到反射回波并转换成电信号,该电信号是很微弱的,所以选用LH0033做为接收放大器,以满足对微弱脉冲信号放大的要求。使用时电源应旁路,以免产生振荡。

　　在接收放大电路中间加一级随时间变化的场效应晶体管衰减器。其目的是:(1)抵消发射脉冲经接收放大电路对控制触发器的影响;(2)换能器在电驱动后,其探头吸收块的机械振动要有一定时间方能停止,这就可能掩盖了在此时产生的反映活塞位移变化的回波信号,这时要求接收放大器的增益在发射脉冲时为最小,使近距离的回波信号要比振动发声信号强得多,所以尽管减少了增益,近处的回波仍能检测到。同时还采用了一个脉宽可调CD4047单稳多谐振荡器输出脉冲控制衰减电路。这个控制脉冲使电容C7充电到设定的电压,把场效应管关闭。而电容器C7慢慢地通过电阻R9放电,使栅极电压降低,反过来又减小信号的衰减,R9和C7的参数值选择要通过实验确定。