低噪声回波测距系统的电路设计与系统分析

　　超声波测距技术在工业领域中具有重要的地位.从普通的污水处理过程到固体料位的在线连续监测，都有着十分广泛的应用.在脉冲反射波测距系统中，目标测距的方法包括‘卜刀:从换能器向目标发射至少一个高频能量的脉冲;然后换能器接收从目标方向发射回来的能量，形成至少一个回波信号;接着在一定间隔内对返回信号的幅值进行反复采样形成一个数字化的数据库，该数据库把回波信号幅值与系统记录的时间联系起来;最后，从数据库中找到至少一个目标区域，使在这个目标区域里，将回波信号从背景噪声中识别出来.

　　1原理分析

　　现有的超声波物位测量一般采用标准芯片作为控制器阵，3]，由超声波发射电路激励超声波换能器产生超声发射信号，经过放大、滤波、检波等超声信号处理完成一次测距任务.标准芯片为标准集成电路，可以产生一系列矩形脉冲波，脉冲波经过变压器放大，在副边输出高压，驱动探头工作.超声信号的回波经反射后由回波接收电路接收.此时回波信号为一个尖脉冲，经过电路的整形，成为一个脉冲宽度为几十个纳秒的矩形脉冲，根据发射和接收脉冲的时间差即可测距.这种设计电路在工业现场实际使用时，由于收发电路中混入了多种电噪声信号，加上有时真实目标物回波信号较弱，所以经过运放和检波整形，在回波区域会出现多个矩形脉冲，使系统难以识别有效脉冲信号的位置.因此该方法一般只适合在sm以内较为理想的工况条件下测距.

　　对于超过sm以上的测量范围，现有的方法是进一步提高变压器原边的供电电压，或者增加变压器的匝数来提高输出功率，以增加探头的激励能量侈，，使最远测距达40m.其缺点是:伴随激励能量的增加，变压器两端的电压噪声、激励电压瞬间启动的尖脉冲噪声也增加，探头在回波目标区内信噪比下降;同时由于电压的加大，需要增大变压器的功率，增加探头的复合共振层数，系统结构设计趋于复杂，系统体积也相应增大，为了保持探头原有的体积不变，激励电压不变，笔者通过实验设计了一套低噪声超声波发射与接收电路.这种收发电路设计的思路是彻底切断发射环节的电噪声对接收电路的影响，以达到“零噪声”输入，通过提高后继超声信号接收环节的信噪比来增强电路的测距能力.事实上，任何低频、中频或高频电路及电子器件，只要通电就存在电噪声，但本设计关断了部分噪声电源，直接消除了产生电噪声信号的基础.该电路的设计明显改善了测量信号的接收质量，在不改变原有探头的基础上，增加了探头的测量距离.