專利名稱：基于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的低噪聲回波測距系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種基于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的低噪聲回波測距系統(tǒng)，適用于大量程低噪聲超聲波測距。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的超聲波物位測量，一般采用標(biāo)準(zhǔn)芯片或者可編程芯片作為控制器，如中國專利02270240.7《一種超聲波測距裝置》和93211624.8《一種超聲波測距裝置》的專利中，由超聲波發(fā)射電路激勵(lì)超聲波換能器產(chǎn)生超聲發(fā)射信號(hào)，信號(hào)再經(jīng)過放大，濾波，檢波等超聲信號(hào)處理，完成一次測距任務(wù)。該標(biāo)準(zhǔn)芯片為標(biāo)準(zhǔn)集成電路，可以產(chǎn)生一系列矩形脈沖波，脈沖波經(jīng)過變壓器放大，在副邊輸出高壓，驅(qū)動(dòng)探頭工作。超聲信號(hào)的回波經(jīng)反射后由回波接收電路接收。此時(shí)回波信號(hào)為一個(gè)尖脈沖，再經(jīng)過電路的整形，成為一個(gè)脈沖寬度為幾十個(gè)us的矩形脈沖。根據(jù)發(fā)射和接收脈沖的時(shí)間差即可測距。該電路的設(shè)計(jì)方法在工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際使用時(shí)，由于收發(fā)電路中混入的多種電噪聲信號(hào)，再加上有時(shí)真實(shí)目標(biāo)物回波信號(hào)較弱，經(jīng)過運(yùn)放和檢波整形，往往在回波區(qū)域出現(xiàn)多個(gè)矩形脈沖，系統(tǒng)難以識(shí)別真實(shí)有效脈沖信號(hào)的位置。因此該方法一般只適合在8米以內(nèi)較為理想工況條件下的測距。
對(duì)于超過8米以上的測量范圍，中國專利01252714.9《容器定點(diǎn)液位的超聲波檢測儀》采用直流穩(wěn)壓電源的升壓電路，進(jìn)一步提高變壓器原邊的供電電壓，或者是增加變壓器的匝數(shù)，以提高輸出功率，增加探頭的激勵(lì)能量，這種方法依靠探頭激勵(lì)能量的增大，一般最遠(yuǎn)測距為0-20米。該方法的缺點(diǎn)是伴隨激勵(lì)能量的增加，往往變壓器兩端的電壓噪聲，激勵(lì)電壓瞬間啟動(dòng)的尖脈沖噪聲也增加，探頭在回波目標(biāo)區(qū)內(nèi)信噪比下降。同時(shí)由于電壓的加大，需要增大變壓器的功率，增加探頭的復(fù)合共振層數(shù)，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜，體積也相應(yīng)增大。
中國專利95111535.9《偽隨機(jī)超聲波測距的方法及其測距儀》為提高測量距離，采用偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，通過事先設(shè)置不同的超聲波頻率，加載到超聲波探頭上，這種偽隨機(jī)脈沖序列長度和脈沖寬度是可變的。對(duì)于近距離測量，其采用發(fā)射短脈沖序列和窄脈寬，和遠(yuǎn)離換能器諧振頻率的偽隨機(jī)信號(hào)。對(duì)于遠(yuǎn)距離測量，采用換能器頻率等于激振頻率的方法獲得最大能量，并通過軟件的方法將接收到的信號(hào)與發(fā)射的偽隨機(jī)信號(hào)相比較，以完成回波信號(hào)的識(shí)別提取。這種偽隨機(jī)信號(hào)特征提取回波信號(hào)，消除了噪聲，不受環(huán)境噪聲強(qiáng)度的限制，即使信號(hào)淹沒在環(huán)境噪聲中也能有效提取，該技術(shù)設(shè)置了門限電平攔阻噪聲，在攔截噪聲的同時(shí)，也攔截了遠(yuǎn)距離的微弱回波信號(hào)，因而大大提高了超聲波探測儀的探測能力。上述的改變頻率的測量方式，其本質(zhì)上是以相關(guān)法進(jìn)行降噪的設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)法的特點(diǎn)，隨著采樣點(diǎn)的增多，降噪能力提高，這種方法需大量后繼的相關(guān)運(yùn)算，一旦有干擾，則整個(gè)相關(guān)算法即告失敗。
中國專利93223143.8《一種超聲波測距裝置》采用時(shí)序特征信號(hào)的提取方法消除噪聲，提高信噪比。英國專利GB 2230608《Acoustic range finder for monitoring levelof material》采用了通過設(shè)定閾值消除一部分噪聲，以及在存儲(chǔ)器中事先記憶無效回波，等到有波形返回時(shí)，再減去這個(gè)無效波，即可減少干擾，提高信號(hào)的信噪比。但是注意到所有這些方法都是一種基于軟件的去除噪聲的方法，它可以增加測量距離，但算法比較復(fù)雜。
但是我們希望如果能夠直接降低電平的本底噪聲，即使不采用復(fù)雜的算法，依然能夠有效地進(jìn)行近距離和遠(yuǎn)距離的測量。
中國專利02248586.4《超聲波測距儀》出現(xiàn)了根據(jù)檢測信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)乃枷?，但這種補(bǔ)償是直接針對(duì)放大電路的，因此補(bǔ)償?shù)碾妷涸綇?qiáng)，噪聲也越大。
美國專利US6234017《transducer assembly》設(shè)計(jì)了一種超聲探頭的激勵(lì)裝置，包括了充放電裝置，電感線圈以及數(shù)個(gè)開關(guān)元件，它是一種采用硬件設(shè)計(jì)的測量方法。其設(shè)計(jì)思想(1)采用了電容作為儲(chǔ)能元件對(duì)探頭進(jìn)行充放電的激勵(lì)，但是其儲(chǔ)能元件本身的能量不是連續(xù)可調(diào)的；(2)設(shè)置開關(guān)主要是用于電感元件的快速放電，防止探頭的尾波過長，開關(guān)本身隔離的作用并沒有體現(xiàn)出來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的低噪聲回波測距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能元件能量的連續(xù)可調(diào)，以及開關(guān)本身在電路中良好的隔離作用。
本發(fā)明將儲(chǔ)能元件本身的能量設(shè)為連續(xù)可調(diào)，不僅能夠兼顧探頭測量距離的遠(yuǎn)近；還根據(jù)回波的信號(hào)幅值，引入反饋的控制思想，根據(jù)回波的不同具體要求，設(shè)置儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)能變化范圍；并將開關(guān)的隔離效果引入到電路設(shè)計(jì)中，充分體現(xiàn)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在充放電過程中良好的噪聲隔離作用。
本發(fā)明由一套低噪聲的能量球構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路，低噪聲接收電路，反饋控制電路和探頭部分構(gòu)成。
對(duì)于探頭單發(fā)單收的超聲波發(fā)射電路，本電路的低噪聲開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)原理如圖1。
本發(fā)明中，考慮高低壓電路和高低頻電路混合設(shè)計(jì)帶來的電噪聲干擾。獨(dú)立設(shè)計(jì)了4個(gè)隔離回路。
回路單元A的特征在于采用高頻發(fā)射電路的自激振蕩控制方式。包括供電電源，電壓為5伏；自激振蕩器1，高頻開關(guān)S1，變壓器L構(gòu)成回路。通過高頻開關(guān)S1和變壓器回路耦合，可以控制回路B的充電電流。變壓器采用高頻變壓器繞組，其體積小，能量轉(zhuǎn)換效率高，自激振蕩器1的振蕩時(shí)間由控制器6確定。
回路單元B的特征在于是一種感應(yīng)式充電回路，由變壓器向儲(chǔ)能元件2持續(xù)充電，充電時(shí)間與回路單元A自激振蕩時(shí)間相同。充電的幅值和能量由測量的距離和探頭有效負(fù)荷決定，應(yīng)選探頭驅(qū)動(dòng)電壓幅值的下限值，保證足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。
回路單元C的特征為一種高能放電激勵(lì)單元，開關(guān)S2將儲(chǔ)能元件2和外激式振蕩器3向探頭4提供持續(xù)的能量。此時(shí)加載在探頭上的激勵(lì)電壓為短時(shí)可控的高壓脈沖。
回路單元D的特征由探頭4和接收電路5構(gòu)成一種低噪聲超聲波接收電路。接收電路5包括信號(hào)放大器，檢波和顯示接收部分。開關(guān)S3的特征為一種采用低頻周期工作模式的開關(guān)，周期性的將接收信號(hào)送入放大處理電路。
反饋控制回路中控制器6的特征為一種采用單片機(jī)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制單元，根據(jù)采集回波模擬信號(hào)的幅值變化，分別反饋控制3個(gè)獨(dú)立回路的開關(guān)。
本發(fā)明中發(fā)射電路與接收電路的特征在于是一種4段隔離的電路，低壓激勵(lì)電路和高壓發(fā)射電路分開，高壓發(fā)射電路和低壓信號(hào)接收電路分開。這種分時(shí)和分區(qū)工作的網(wǎng)路開關(guān)結(jié)構(gòu)，徹底切斷了發(fā)射環(huán)節(jié)的電噪聲對(duì)接收電路的影響，做到了“零噪聲”輸入。后繼超聲信號(hào)接收環(huán)節(jié)的信噪比得到增強(qiáng)。電路的測距能力得到提高。事實(shí)上，任何低頻，中頻或高頻電路或者電子器件，只要通電，就存在電噪聲，本設(shè)計(jì)從原理上關(guān)斷了部分噪聲電源。直接消除了產(chǎn)生電噪聲信號(hào)的基礎(chǔ)。該電路的設(shè)計(jì)明顯改善了測量信號(hào)的接收質(zhì)量，在不需要改變探頭晶體共振層數(shù)的基礎(chǔ)上，提高了探頭的測距能力。
超聲波發(fā)射和接收時(shí)序特征如圖2在時(shí)間段T1開始時(shí)，S1閉合，振蕩器1開始高頻振蕩，原邊振蕩電壓產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)高頻變壓器副邊，傳遞給儲(chǔ)能元件2，經(jīng)過時(shí)間T1，儲(chǔ)能元件充電至預(yù)定值，充電電壓幅值與能量儲(chǔ)存單元的儲(chǔ)存容量是由控制器6確定的，它與S1閉合的時(shí)間成正比。
當(dāng)儲(chǔ)能電壓達(dá)到預(yù)定電壓時(shí)，S1斷開，停止振蕩，然后在時(shí)間T2開始時(shí)，S2提供一個(gè)振蕩激勵(lì)信號(hào)，由儲(chǔ)能元件2通過外激振蕩器3向探頭提供振蕩能量，發(fā)射時(shí)間為T2，激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號(hào)，該激勵(lì)頻率f與探頭的固有頻率相關(guān)，一般在聲頻范圍內(nèi)。
激勵(lì)的脈沖數(shù)目N為T2/f，形成穩(wěn)定的激勵(lì)后，有一個(gè)超聲波的盲區(qū)等待時(shí)間后，S1和S2斷開，S3閉合，在預(yù)定的測量時(shí)間T3內(nèi)，接收電路開始接收回波信號(hào)。
當(dāng)完成信號(hào)發(fā)射和接收處理后，完成一次測量周期。下一次的循環(huán)周期，再重新發(fā)射和接收信號(hào)。
圖中，儲(chǔ)能元件可以由電容，或其他儲(chǔ)能元件組成。
開關(guān)S1為高頻開關(guān)元件，頻率高低的選擇與激勵(lì)的效率，激勵(lì)單元體積有關(guān)系，頻率越高，則激勵(lì)單元體積越小。
開關(guān)S2為中頻開關(guān)元件，可以根據(jù)探頭的激勵(lì)頻率，調(diào)整電感參數(shù)以及控制信號(hào)的頻率，達(dá)到探頭的共振頻率?？梢杂每煽毓?，高速功率三極管或場效應(yīng)管作為開關(guān)，電感兩端激勵(lì)電壓可以超過300V以上，激勵(lì)探頭后振幅可達(dá)1500V左右開關(guān)S3為一個(gè)低頻開關(guān)元件，可以采用模擬開關(guān)，控制接收的時(shí)間和接收的區(qū)域。如CD4066等，由于是低頻工作元件，不會(huì)產(chǎn)生高頻電磁干擾，因此接收信號(hào)無雜波和電磁噪聲的干擾。
回波測距系統(tǒng)的噪聲包括電路噪聲，環(huán)境噪聲和探頭噪聲，電路噪聲有前端電源噪聲，變壓器噪聲，儲(chǔ)能元件充放電的噪聲，運(yùn)放的熱噪聲等。本發(fā)明的特征在于電路設(shè)計(jì)為三路噪聲隔離的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于回路單元A可以被開關(guān)徹底停止供電，理論上回路單元A和回路單元B的電噪聲為“零噪聲”，此時(shí)根據(jù)控制工程原理，一般稱為前項(xiàng)通道沉默；當(dāng)后項(xiàng)通道開始在控制器的控制下，選擇前項(xiàng)通道為“零噪聲”區(qū)域，啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)時(shí)，則探頭的輸入電噪聲信號(hào)為零；理論上，此時(shí)只存在探頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)中的機(jī)械噪聲和壓電噪聲，相比傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)采用變壓器通道連接，存在較大的電路混合噪聲以及環(huán)境噪聲；本發(fā)明采用完全開關(guān)隔離網(wǎng)絡(luò)的電路設(shè)計(jì)，消除了前項(xiàng)通道對(duì)后項(xiàng)通道帶來的電噪聲累計(jì)效應(yīng)。
三頻段網(wǎng)絡(luò)化的隔離開關(guān)設(shè)計(jì)，還減小了不同頻率段振蕩信號(hào)在空間上的相互電磁干擾。
本發(fā)明中電路設(shè)計(jì)的低噪聲特征還在于一種低噪聲激勵(lì)電源的設(shè)計(jì)。本發(fā)明給出了一種能夠連續(xù)調(diào)節(jié)探頭供給能量的“能量調(diào)節(jié)球”(energy adaptation ball，簡稱EAB)，它包括儲(chǔ)能元件2和外激振蕩器3組成，通過直接控制EAB的充電電壓，來控制發(fā)射能量。由于它本質(zhì)上是一種開關(guān)積分電源，性能十分穩(wěn)定，工作時(shí)自身無電噪聲。
EAB的工作特征包括兩個(gè)過程儲(chǔ)能元件的充電過程，通常儲(chǔ)能元件的直流電壓為30V到300V可調(diào)；外激振蕩器3的周期振蕩，其作用相當(dāng)于一個(gè)能量激發(fā)器，將儲(chǔ)能元件的能量瞬間釋放在探頭兩側(cè)，從而在探頭兩端激勵(lì)出比儲(chǔ)能元件自身電壓高3-5倍的脈沖電壓。幅值為90V到1500V可調(diào)，寬度為500ns到5μs。圖3為外激振蕩器的儲(chǔ)能單元的示意圖。
在起始充電的時(shí)間段T1時(shí)，設(shè)U1(t)為蓄能元件電壓，則經(jīng)過時(shí)間T1后，U1(t)和U2(t)分別為儲(chǔ)能元件電壓和激勵(lì)電壓。圖中所示是設(shè)充電回路為RC的串聯(lián)回路，其輸入輸出滿足一階系統(tǒng)的傳輸特性，其傳遞函數(shù)G(S)=11+TS]]>則儲(chǔ)能元件兩端的儲(chǔ)能設(shè)為U則Uc(t)＝(1-e-T/τ)ul(t)，式中T＝RC，T是電路的時(shí)間常數(shù)。
在周期T2時(shí)，能量球在S2周期動(dòng)作下，系統(tǒng)電壓被激發(fā)到U2(t)。則U2(t)＝kU1(t)，k為激振倍數(shù)。設(shè)此時(shí)設(shè)儲(chǔ)能元件為電感L向R，C放電，其輸入輸出滿足二階系統(tǒng)的傳輸特性，其傳遞函數(shù)為G(S)=ωn2S2+2ξωS+ωn2]]>其中ωn=1LC;]]>ξ=12RLC]]>則系統(tǒng)能量E的衰減服從二階振蕩系統(tǒng)指數(shù)衰減規(guī)律。則儲(chǔ)能元件兩端電壓為 其中ωd=ωn1-ξ2;]]> 上述儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)能容量及電壓變化與該儲(chǔ)能元件物理特性及放電電路有關(guān)。儲(chǔ)能趨勢曲線E1和E2分別表示在不同的充電控制時(shí)間下，儲(chǔ)能元件的能量隨系統(tǒng)放電的周期變化而下降的過程，隨時(shí)間的變化，EAB能量逐步降低，經(jīng)過一段的放電時(shí)間后，EAB停止工作，系統(tǒng)等待進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
在T1’時(shí)間段和T2’時(shí)間段，系統(tǒng)將在原來電壓的基礎(chǔ)上，被充電到新的電壓，獲得新的能量，S2的頻率變化影響和控制著激振幅值的大小。
本發(fā)明的特征在于一種基于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的低噪聲電路設(shè)計(jì)，各個(gè)回路具有完全隔離的分時(shí)，分區(qū)和分頻段工作的特點(diǎn)。完全獨(dú)立的電路設(shè)計(jì)，減少了電噪聲之間的相互干擾。能量從激勵(lì)到發(fā)射，到接收的過程在時(shí)間軸上是位于不同的時(shí)間段，接收信號(hào)不會(huì)受到發(fā)射信號(hào)的干擾；開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)作頻率設(shè)計(jì)為高低中頻完全不同的頻段，各頻段的電磁干擾在電磁空間上很容易被濾波消除。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可連續(xù)調(diào)節(jié)的反饋式儲(chǔ)能單元“能量調(diào)節(jié)球”，該能量球具有超聲能量存儲(chǔ)和高壓激發(fā)的特點(diǎn)，可根據(jù)回波信號(hào)的強(qiáng)度反饋控制開關(guān)的閉合時(shí)間來控制儲(chǔ)能的大??；能量球儲(chǔ)能的大小可以調(diào)節(jié)超聲波的測量距離，兼顧遠(yuǎn)距離和近距離的測量，實(shí)現(xiàn)了探頭連續(xù)能量的自動(dòng)增益控制，提高了系統(tǒng)的信噪比，解決了擴(kuò)大量程與減少盲區(qū)這一對(duì)矛盾，實(shí)現(xiàn)了超聲波常態(tài)功率發(fā)射條件下對(duì)各種困難信號(hào)的穩(wěn)定接收。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了自由靈活的量程調(diào)整；該能量球可以是一種多能量球的并聯(lián)激勵(lì)裝置；完全獨(dú)立的能量球可以在外界開關(guān)完全斷開的情況下，對(duì)探頭進(jìn)行激勵(lì)，該設(shè)計(jì)替代了傳統(tǒng)的變壓器的能量激勵(lì)，直接減少了外界電源波動(dòng)，電源噪聲對(duì)激勵(lì)電路的干擾，提高了信噪比。


圖1是本發(fā)明的低噪聲開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的低噪聲回波電路示意2是本發(fā)明的超聲波發(fā)射和接收時(shí)序3是本發(fā)明的儲(chǔ)能元件的EBA能量示意4是本發(fā)明的超聲波測距系統(tǒng)的增益控制實(shí)施結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
圖4為一種基于單發(fā)單收的超聲波測量系統(tǒng)，作為開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種具體電路實(shí)施，本發(fā)明的特征在于發(fā)射部分包含一個(gè)低壓直流電源，能量球EAB激勵(lì)部分，通過開關(guān)切換到達(dá)探頭；低噪聲接收電路5包括兩個(gè)運(yùn)算放大器K1(7)和K2(8)，加上檢波單元9，檢波輸出端檢測點(diǎn)10，回波調(diào)理信號(hào)輸出端11。檢測點(diǎn)10的電壓被引到單片機(jī)控制系統(tǒng)6，構(gòu)成回波系統(tǒng)的增益反饋控制，由單片機(jī)控制EAB和可編程放大器K2。系統(tǒng)的開關(guān)順序S1，S2和S3的動(dòng)作時(shí)序與圖2相同。其內(nèi)部的自動(dòng)增益控制由監(jiān)測點(diǎn)采集到的數(shù)值，傳遞到單片機(jī)中，單片機(jī)內(nèi)部建立了模型算法。
模型算法的特征(1)在程控放大器K1增益系數(shù)為1時(shí)，調(diào)節(jié)能量球?yàn)橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)充電時(shí)間T1，此時(shí)檢測回波幅值，如果無回波，首先增大能量球的充電時(shí)間，到最高值時(shí)，如果還沒有回波，則將放大系數(shù)改為10倍，再依次增加放大倍數(shù)，直到放大倍數(shù)為1000，能量最大為止。
(2)待系統(tǒng)測量穩(wěn)定后，程序記憶程控放大器K1的增益系數(shù)，只在能量球的附近進(jìn)行能量調(diào)整；對(duì)于大量程的測量，放大倍數(shù)從10或者100開始。
(3)整個(gè)系統(tǒng)程序調(diào)節(jié)過程，以能量調(diào)節(jié)為優(yōu)先，因?yàn)槟芰康淖兓碚撋蠠o電噪聲干擾，而放大器的干擾隨放大倍數(shù)增加而增加。本模型算法的特征是基于能量調(diào)節(jié)優(yōu)先，放大倍數(shù)順序遞增。
實(shí)際電路的設(shè)計(jì)，考慮了回波測距系統(tǒng)的特點(diǎn)即回波信號(hào)的質(zhì)量主要取決于被測對(duì)象表面形狀的密度，形狀，距離的遠(yuǎn)近等。尤其對(duì)量程較大的回波測量中，真實(shí)回波信號(hào)的幅值變化表現(xiàn)的較為強(qiáng)烈，并伴有大量的電干擾信號(hào)和外界環(huán)境干擾。因此接收電路的增益控制必須有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。
設(shè)Uout和Uin分別為發(fā)射系統(tǒng)的輸出電壓以及接收系統(tǒng)的輸入電壓，則ψ(p,t,s)=UoutUin,]]>ψ(p，t，s)是表示超聲波接收電壓的衰減與測量介質(zhì)的壓力和溫度以及測量距離有關(guān)的函數(shù)。設(shè)經(jīng)過兩級(jí)放大器后，回波信號(hào)幅值為Φ(t)，考慮到幅值必須在平均電噪聲信號(hào)和單片機(jī)最大輸入電壓之間，因此滿足Φ2(t)≤Φ(t)≤Φ1(t)，其中Φ(t)＝K1K2Uout，K1和K2分別為兩級(jí)運(yùn)放的放大系數(shù)。則有
Φ2(t)≤K1K2Uin(t)ψ(p，t，s)≤Φ1(t)，移項(xiàng)后有1K1K2ψ(p,t,s)Φ2(t)≤Uin(t)≤1K1K2ψ(p,t,s)Φ1(t)]]>由E=12CUin2,]]>則理論上ENB的能量范圍為C2K12K22ψ2(p,t,s)Φ22(t)≤E≤C2K12K22ψ2(p,t,s)Φ12(t)]]>由此可見，本發(fā)明中能量球的特征在于能量的變化是一個(gè)連續(xù)的過程，它的控制范圍取決于儲(chǔ)能元件自身的物理參數(shù)，測量的環(huán)境和運(yùn)放的倍數(shù)以及測量裝置。能量和儲(chǔ)能元件成線性比例關(guān)系，和放大倍數(shù)的平方成反比，因此能量的反饋調(diào)節(jié)在固定放大倍數(shù)的前提下，直接和儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)相關(guān)。
本發(fā)明的增益控制系統(tǒng)在保證能量調(diào)節(jié)優(yōu)先，放大倍數(shù)順序遞增的原則下，設(shè)計(jì)了一套單片機(jī)分段控制程序，通過控制反饋回路的開關(guān)閉合時(shí)間，調(diào)節(jié)和修正儲(chǔ)能元件的能量E，從而改變探頭的激勵(lì)電壓，動(dòng)態(tài)控制輸出脈沖信號(hào)的幅值，使回波信號(hào)始終自動(dòng)保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。
傳統(tǒng)的方法是當(dāng)超聲波回波信號(hào)的幅值經(jīng)常發(fā)生很大變化時(shí)，采用可編程運(yùn)算放大器，根據(jù)回波大小分級(jí)給出放大倍數(shù)，一般為1倍，10倍，100倍和1000倍四種，沒有連續(xù)可調(diào)的余地，從上面推導(dǎo)的公式看出，運(yùn)用本發(fā)明中EAB連續(xù)調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓的方法，可以實(shí)現(xiàn)波信號(hào)幅值的連續(xù)調(diào)節(jié)，如果再配合分級(jí)程控放大電路，則系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍將有較大的提高。
對(duì)于近距離的測量，本發(fā)明采用能量球減小發(fā)射能量的方法，而不是采用專利95111535.9《偽隨機(jī)超聲波測距的方法及其測距儀》中偏移共振頻率點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)距離的調(diào)節(jié)，偏移探頭的共振頻率不方便控制，稍有誤差，就會(huì)出現(xiàn)探頭振幅的很大變化。而本發(fā)明通過減小探頭的供應(yīng)能量，間接的可以通過調(diào)節(jié)開關(guān)的閉合時(shí)間來控制能量的大小，采用單片機(jī)控制，在實(shí)際操作中，很容易實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明在回波信號(hào)輸入電路的輸入端，增加了兩個(gè)過壓二極管監(jiān)測電路，其特征在于一方面防止過電壓對(duì)運(yùn)放的沖擊，保護(hù)運(yùn)放，同時(shí)控制器通過比較電路識(shí)別輸入的電壓，如果電壓飽和，系統(tǒng)自動(dòng)降低激勵(lì)電壓，信號(hào)過弱，則系統(tǒng)自動(dòng)增大激勵(lì)電壓，整個(gè)過程配合程控運(yùn)放工作，由控制器內(nèi)部的程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換。
傳統(tǒng)的抑制干擾的措施一般是運(yùn)算放大器加濾波電路的方法。而本發(fā)明的EAB法，沒有了外界的低頻中頻或高頻電信號(hào)干擾，其本質(zhì)是一個(gè)基于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的分時(shí)和分區(qū)的低干擾激勵(lì)單元，它的噪聲只和充電元件自身的物理特性有關(guān)。同時(shí)由于EAB電壓連續(xù)調(diào)節(jié)范圍較大，因此只需要采用兩路運(yùn)放設(shè)計(jì)，一級(jí)低噪聲調(diào)理放大器和一級(jí)可編程放大器，減小了傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中多運(yùn)放環(huán)節(jié)帶來的自身噪聲。
本發(fā)明中，根據(jù)能量的需要，還可以采用多級(jí)EAB并聯(lián)的方式，各EAB的大小可以不同，可以分別對(duì)應(yīng)于近距離和遠(yuǎn)距離測量的需要。智能化的控制程序一般可以保證系統(tǒng)在0-60米的測量范圍內(nèi)，自動(dòng)識(shí)別回波，實(shí)現(xiàn)任意區(qū)間內(nèi)的自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。
用示波器觀察回波，發(fā)現(xiàn)該電路在信號(hào)輸出端本底噪聲相同條件下，噪聲輸出比傳統(tǒng)的非隔離式電路減小一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。實(shí)測為0-20米的測量范圍，采用示波器觀察發(fā)現(xiàn)采用該低噪聲電路設(shè)計(jì)，不需要提高激勵(lì)電壓，就可以獲得很好的回波信號(hào)。尤其是對(duì)固態(tài)物料表面的回波微弱信號(hào)問題，仍然具有較強(qiáng)的回波。由此看見，基于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低噪聲電路的信噪比得到改善。
當(dāng)進(jìn)一步加大測量距離，如0-40米和0-60米時(shí)，系統(tǒng)距離顯示正確，沒有明顯的數(shù)值波動(dòng)。由于系統(tǒng)本身信噪比較低，因此在系統(tǒng)自身進(jìn)行增益調(diào)節(jié)時(shí)，回波信號(hào)仍然有足夠的信噪比，但必須注意的是，系統(tǒng)信噪比的提高，并不能保證接收范圍無限增加，因?yàn)榇嬖谔筋^本身的機(jī)械阻尼結(jié)構(gòu)和接收電路自身的電噪聲。對(duì)于超過60米以上的測距，可以提高激勵(lì)能量和改變探頭結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中開關(guān)隔離電路的低噪聲設(shè)計(jì)原理不變。
權(quán)利要求
1.一種基于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的低噪聲回波測距系統(tǒng)，其特征在于由一套低噪聲的能量球構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路，低噪聲接收電路，反饋控制電路和探頭構(gòu)成。
2.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的低噪聲開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路包括4個(gè)隔離回路單元a、回路單元A采用高頻發(fā)射電路的自激振蕩控制方式，包括供電電源，電壓為5伏；自激振蕩器1，高頻開關(guān)S1，變壓器L構(gòu)成回路；通過高頻開關(guān)S1和變壓器回路耦合，可以控制回路單元B的充電電流；變壓器采用高頻變壓器繞組，自激振蕩器1的振蕩時(shí)間由控制器6確定；b、回路單元B是一種感應(yīng)式充電回路，由變壓器向儲(chǔ)能元件2持續(xù)充電，充電時(shí)間與回路單元A自激振蕩時(shí)間相同；充電的幅值和能量由測量的距離和探頭有效負(fù)荷決定，應(yīng)選探頭驅(qū)動(dòng)電壓幅值的下限值，保證足夠的驅(qū)動(dòng)電壓；c、回路單元C為一種高能放電激勵(lì)單元，開關(guān)S2將儲(chǔ)能元件2和外激式振蕩器3向探頭4提供持續(xù)的能量；此時(shí)加載在探頭上的激勵(lì)電壓為短時(shí)可控的高壓脈沖；d、回路單元D由探頭4和接收電路5構(gòu)成一種低噪聲超聲波接收電路；接收電路5包括信號(hào)放大器，檢波和顯示接收部分；開關(guān)S3為一種采用低頻周期工作模式的開關(guān)，周期性的將接收信號(hào)送入放大處理電路。
3.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的反饋控制回路中控制器6為一種采用單片機(jī)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制單元，根據(jù)采集回波模擬信號(hào)的幅值變化，分別反饋控制3個(gè)獨(dú)立回路的開關(guān)。
4.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的超聲波發(fā)射電路，低噪聲接收電路是一種4段隔離的電路，低壓激勵(lì)電路和高壓發(fā)射電路分開，高壓發(fā)射電路和低壓信號(hào)接收電路分開；這種分時(shí)和分區(qū)工作的網(wǎng)路開關(guān)結(jié)構(gòu)，徹底切斷了發(fā)射環(huán)節(jié)的電噪聲對(duì)接收電路的影響，做到了“零噪聲”輸入；后繼超聲信號(hào)接收環(huán)節(jié)的信噪比得到增強(qiáng)，電路的測距能力得到提高。
5.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的探頭為單發(fā)單收的超聲波發(fā)射電路，超聲波發(fā)射和接收時(shí)序?yàn)閍、在時(shí)間段T1開始時(shí)，S1閉合，振蕩器1開始高頻振蕩，原邊振蕩電壓產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)高頻變壓器副邊，傳遞給儲(chǔ)能元件2，經(jīng)過時(shí)間T1，儲(chǔ)能元件充電至預(yù)定值，充電電壓幅值是由控制器6確定的，它與S1閉合的時(shí)間成正比；b、當(dāng)儲(chǔ)能電壓達(dá)到預(yù)定電壓時(shí)，S1斷開，停止振蕩，然后在時(shí)間T2開始時(shí)，S2提供一個(gè)振蕩激勵(lì)信號(hào)，由儲(chǔ)能元件2通過外激振蕩器3向探頭提供振蕩能量，發(fā)射時(shí)間為T2，激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號(hào)，該激勵(lì)頻率f與探頭的固有頻率相關(guān)，一般在聲頻范圍內(nèi)；c、激勵(lì)的脈沖數(shù)目N為T2/f，形成穩(wěn)定的激勵(lì)后，有一個(gè)超聲波的盲區(qū)等待時(shí)間后，S1和S2斷開，S3閉合，在預(yù)定的測量時(shí)間T3內(nèi)，接收電路開始接收回波信號(hào)；當(dāng)完成信號(hào)發(fā)射和接收處理后，完成一次測量周期，下一次的循環(huán)周期，再重新發(fā)射和接收信號(hào)；d、儲(chǔ)能元件由電容，或其他儲(chǔ)能元件組成；開關(guān)S1為高頻開關(guān)元件，開關(guān)S2為中頻開關(guān)元件，用可控硅，高速功率三極管或場效應(yīng)管作為開關(guān)，開關(guān)S3為一個(gè)低頻開關(guān)元件，采用模擬開關(guān)，控制接收的時(shí)間和接收的區(qū)域。
6.按照權(quán)利要求1或4所述的系統(tǒng)，其特征在于采用低噪聲激勵(lì)電源的設(shè)計(jì)，給出了一種能夠連續(xù)調(diào)節(jié)探頭供給能量的“能量調(diào)節(jié)球”EAB，它包括儲(chǔ)能元件2和外激振蕩器3組成。作為蓄能元件，通過直接控制EAB的充電電壓，來控制發(fā)射能量；EAB的工作包括兩個(gè)過程儲(chǔ)能元件的充電過程，通常儲(chǔ)能元件的直流電壓為30V到300V可調(diào)；外激振蕩器3的周期振蕩，其作用相當(dāng)于一個(gè)能量激發(fā)器，將儲(chǔ)能元件的能量瞬間釋放在探頭兩側(cè)，從而在探頭兩端激勵(lì)出比儲(chǔ)能元件自身電壓高3-5倍的脈沖電壓；幅值為300V到1500V，寬度為500ns到5μs。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的低噪聲回波測距系統(tǒng)，由一套低噪聲的能量球構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路，低噪聲接收電路，反饋控制電路和探頭構(gòu)成。超聲波的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一種分時(shí)，分區(qū)和分頻的開關(guān)隔離式的網(wǎng)絡(luò)化電路結(jié)構(gòu)，同現(xiàn)有技術(shù)相比，能徹底切斷發(fā)射電路和其他電干擾信號(hào)對(duì)接收電路的電噪聲影響，擴(kuò)大了低噪聲回波測距系統(tǒng)的測量范圍；可連續(xù)調(diào)節(jié)的反饋式儲(chǔ)能單元“能量調(diào)節(jié)球”，具有超聲能量存儲(chǔ)和高壓激發(fā)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了探頭連續(xù)能量的自動(dòng)增益控制，提高了系統(tǒng)的信噪比，解決了擴(kuò)大量程與減少盲區(qū)這一對(duì)矛盾，實(shí)現(xiàn)了超聲波常態(tài)功率發(fā)射條件下對(duì)各種困難信號(hào)的穩(wěn)定接收。
文檔編號(hào)G01S15/08GK1601299SQ20041000970
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月25日
發(fā)明者陳先中 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)