一种超声波传感器广角检测设备的研制.pdf

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1、第11期王钦若等．一种超声波传感器广角检测设备的研制一种超声波传感器广角检测设备的研制王钦若张霄扬彭义(广东工业大学岛动化学院，广州510006)摘要为了实现扩展超声波传感器检测角度的目的，通过对超声波传输过程以及超声波斜入射影响的分析，提出了基于传感器半功率角的传感器阵列及相关电路的设计方法，并对此设计进行了大量试验，证明此设计在不影响超声波波形的前提下，能够扩展超声波传感器的检测角度，并且易于实施。关键词移动物体定位超声波传感器检测角度半功率角传感器阵列中图分类号TP274文献标识码A文章编号1000

2、—3932(2011)11—1327_05由于超声波测量技术具有不受光线影响、结构简单、成本低、信息处理可靠以及易于小型化及集成化等优点，因此广泛应用于移动物体定位及导航系统⋯。无论是超声波的定位应用还是导航应用，最核心的是超声波单点测距技术，目前主要分为超声波整体收发式与分体收发式。所谓整体收发式，指的是由同一个超声波传感器发射超声波并接收反射回来的超声波，运用L=0．5vt(秽为音速，t为超声波的渡越时间)来计算出声波发射点距被测点的距离；分体式收发则指分别用不同的超声波传感器完成上述发射、接收超声波

3、的工作，通过L=vt得出所求距离。整体收发式测距，要求超声波的指向性越强越好，即超声波的回波路径与发射路径尽量重叠，超声波传感器仅接收同一路径返回的声波，对于其它路径返回的声波，传感器具有极低的灵敏度；对于分体式测距，在部分应用中，如超声波对移动物体的定位系统，往往希望超声波的指向性弱一些，即超声波的发射角度大一些，接收角度也越大越好悼’。目前市面上半功率角在10。以下的超声波传感器众多，较易实现强指向性要求。然而市面上半功率角超过20。的超声波传感器并不多见。笔者在文中将探讨如何使用现有的传感器来对大角

4、度范围的声波信号进行检测。1超声波信号传输过程和斜入射影响1．1接收超声波信号的数学模型¨1接收超声波信号波形受到诸多因素影响，包括发射角、接收角、发射传感器、接收传感器、发射激励以及空气对超声波的吸收和散射等。图1为超声波接收、发射示意图。昌碑．一茹黔图1超声波接收、发射示意图设S(t)为发射端加的激励信号，则：胁(t,Or,d,oR)：st-÷)飞⋯(t,Or)·了1^。(￡，d)·ho(t，靠)h。⋯(￡，口T)=hp(t，pT)。hT(t)h。。(￡，一R)；h口(t，pR)‘hR(‘)式中Rec

5、(t，如，d，0。)——接收波形；h。。、h。¨hroc——以0，为发射角时的发射传感器、空气介质的吸收和散射；口广入射时的接收传感器的脉冲响应；h。——角度偏向的脉冲响应；h，，hR——传感器的脉冲响应。1．2发射角和入射角对接收超声波信号波形的影响¨o图2所示为信号斜入射模型。收稿日期：2011-09—13(修改虢)化工自动化及仪表第38卷图2超声波信号斜入射模型示意图信号斜入射时，其数学关系为：k㈠一，：{4霄c蹦co。s口O√-一(詈)‘，一(詈

6、径；C——空气中声音传播的速度；t。——入射平面波从传感器面一端开始扫过整个传感器面所用的时间。因为存在h。。(t，0)=h。。。(t，0)=h。(t)，所以当声波入射角不同时，接收到的声波波形体现如下特征：a．当超声波垂直入射传感器时，Jl。(t)表现为全通滤波器，接收到声波波形和发射的声波波形基本一致；b．当超声波斜射人传感器时，h。(t)表现为低通滤波器，此时接收到的声波信号波形与发射的声波波形有显著不同。这一现象将主要体现在超声波传感器接收端，增大声波的斜入射角，虽然扩大了声波的检测范围，但是接收

7、到的声波波形可能会有较大畸变；单纯为了获得较好的声波波形，必将减小声波的检测范围。对此，需要找到一个合理的方法，即在获得较好波形的前提下，牺牲单个传感器的检测范围，设计整体传感器阵列，并通过大量试验验证设计是否可行。2超声波发射角度范围扩展有3种基本的超声波传感器(换能器)，分别是压电式、磁致伸缩式和静电式。目前高精度仪表级的超声波传感器多采用静电式，其具有：波束角150(一6dB)、测量距离远达15m、灵敏度高、工作频带窄以及适应恶劣环境等特点，被广泛应用于水平测量、存在检测等领域。因为单个传感器的半功

8、率角(一3dB)很小，不足以实现大角度检测。故要实现大角度范围发射超声波，必须采用超声波传感器阵列。如图3所示，将数个传感器等弧度安装在一个圆盘上，可以实现对传感器发射角度的任意扩展。这里通过5个超声波传感器，设计出可以覆盖检测角度超过90。的传感器设备。为了减少多个传感器发射超声波所带来的互相干扰，应尽量使传感器间的等弧度角a大于等于传感器的两倍半功率角，同时为了避免或减少测量死区，口又不能选取过大。图3超声波传感器阵列示意