大量程超声波回波测距系统的研究

　　1　引　　言

　　在脉冲反射波测距系统中,目标测距的方法包括: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,回波信号的幅值比背景噪声大。

　　目前大量程超声波测距系统主要包括:大功率发射电路的设计,低噪声程控接收放大电路的设计以及智能回声接收软件的设计等三个应用问题。

　　目前国内物位测量的应用主要集中在0—10米固体和液位的测量,一般测量精度较高,回波表现稳定;但当需要进一步加大测量距离,进一步提高激励电压时,测距加大时,如何设计出满足低噪声可程控放大回波幅值的电路,同时配合大功率复合探头优化发射和接收电路的设计,成为问题的关键。

　　2　脉冲超声发射电路的设计

　　在脉冲反射波测距系统中,往往需要对电路施加特定的激励脉冲,通过时间序列上对接收脉冲的处理,达到测量距离的目的。目前激励脉冲主要根据周期,频率,幅值的不同,分别包括正弦信号,方波,或瞬间高压尖脉冲等。对于大量程的测距系统,主要以瞬间高压连续激励脉冲为主。高压激励脉冲产生的方法按激励元件分为:直接电源激励法,电容瞬间放电法,电感瞬间放电法等。

　　2.1　直接电源激励法:

　　直接电源激励法也称直接软开关控制电源探头激励法。如图1所示,电路由电源模块U,P沟道绝缘场效应管Q,电阻R,电容C,探头T组成。当控制端有信号跳变时,P沟道绝缘场效应管Q瞬间导通,形成从电源到地的瞬间短路,此时瞬间电流很大,并直接加载在探头两侧,形成电压对探头的激励作用。

　　该方法原理简单,直观性强,适合在小量程测距系统中使用。但对测距超过10m以上的量程,往往需要100V以上的电源激励模块,瞬间过电流对发射电路有很强的冲击作用,易出现电路板和电源的故障。

　　2.2　电容瞬间放电法:

　　图2为间接式电容充放电法激励电路原理图,将探头接在系统的旁路,通过电容瞬间加载在探头上的电容高压放电来激励探头。电路由N沟道绝缘场效应管Q,电阻R,储能电容C以及保护二极管等组成。当Q的栅极为低电平时,N沟道绝缘栅场效应管Q关断,通过电容C和旁路电阻R和二极管D充电,充电时间取决于时间常数RC值,当Q的栅极为高电平时,N沟道绝缘栅场效应管Q导通,存储在电容C中的能量瞬间通过场效应管Q、正向二极管D向探头T放电,在探头T中激发出超声波。电阻R(或电感L)用于调节激发能量,可以改变激发的超声波谐振幅值。整个　　充放电过程需要加保护电路防止损坏。