[發(fā)明專利]一種多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)日: 2020-07-28
• 公開（公告）號(hào): CN111880183A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫成亮;占惠花;吳志鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S15/08
• 分類號(hào): G01S15/08;G01S15/34;G01S15/36
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 彭艷君

本發(fā)明涉及超聲換能器測(cè)距技術(shù)，具體涉及一種多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)，包括換能器陣列模塊，與換能器陣列模塊連接的選擇器/開關(guān)模塊，分別與選擇器/開關(guān)模塊連接的三種工作模式模塊和處理器模塊，與處理器模塊連接的外設(shè)模塊，處理器模塊與三種工作模式模塊連接。該系統(tǒng)將ToF模式、單頻相位模式和多頻相位模式這三種工作模式通過選擇器/開關(guān)模塊聯(lián)合起來，集成于一個(gè)超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)中，利用三種不同工作模式的優(yōu)勢(shì)來補(bǔ)償三種不同工作模式的劣勢(shì)，在擴(kuò)大測(cè)距有效范圍的同時(shí)，消除了近場(chǎng)最小距離的盲區(qū)限制，提升了超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距范圍和精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超聲換能器測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)。

背景技術(shù)

超聲換能器是既可以用來發(fā)射又可以用來接收超聲波的換能元件。當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，電能通過靜電力或逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為換能器的振動(dòng)從而向外輻射聲波；當(dāng)處于接收狀態(tài)時(shí)，聲壓作用在換能器表面使其振動(dòng)，換能器再將振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。現(xiàn)有的超聲測(cè)距工作模式一般分為三種：ToF(Time of Flight)模式，單頻相位模式和多頻相位模式。ToF模式是最常用的一種測(cè)距模式，通過測(cè)量超聲波發(fā)射與接收之間的時(shí)間差，進(jìn)而利用時(shí)間、聲速和距離之間的關(guān)系計(jì)算出距離。單頻相位模式是采用單一的發(fā)射頻率和與之對(duì)應(yīng)的單一的接收頻率，通過測(cè)量發(fā)射波與回波之間的相位差，進(jìn)而利用相位、波長和距離之間的關(guān)系計(jì)算出距離。多頻相位模式是采用多種(兩種或者兩種以上)不同的發(fā)射頻率和與之對(duì)應(yīng)的多種接收頻率，通過分別測(cè)量多束發(fā)射波與回波之間的相位差和頻率差，進(jìn)而利用相位差、頻率差、聲速和距離之間的關(guān)系計(jì)算出距離。其中，ToF模式操作簡(jiǎn)單，但精度較低，且受最小距離的盲區(qū)限制；單頻相位模式精度較高，但有效距離較短，受最大距離的盲區(qū)限制；多頻相位模式操作較復(fù)雜，受最大距離的盲區(qū)限制，但擴(kuò)大了有效距離范圍。

在傳統(tǒng)的超聲測(cè)距系統(tǒng)中，由于超聲換能器的諧振頻率恒定，換能器只能發(fā)射一種頻率的超聲波，因而測(cè)距系統(tǒng)一般只采用其中一種工作模式，測(cè)距的范圍和精度往往較差，要么受近場(chǎng)最小距離的盲區(qū)限制，要么受遠(yuǎn)場(chǎng)最大距離的盲區(qū)限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)，包括換能器陣列模塊，與換能器陣列模塊連接的選擇器/開關(guān)模塊，分別與選擇器/開關(guān)模塊連接的三種工作模式模塊和處理器模塊，與處理器模塊連接的外設(shè)模塊，處理器模塊與三種工作模式模塊連接。

在上述的多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)中，換能器陣列模塊為換能器設(shè)置的點(diǎn)狀、線狀、矩形狀或者圓形狀陣列。

在上述的多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)中，換能器采用壓電超聲換能器或電容超聲換能器。

在上述的多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)中，三種工作模式模塊包括ToF模式模塊、單頻相位模式模塊和多頻相位模式模塊。

在上述的多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)中，ToF模式模塊包含前置放大電路、濾波電路、時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐泛托盘?hào)檢測(cè)電路；用于通過測(cè)量超聲波發(fā)射與接收之間的時(shí)間差，利用時(shí)間、聲速和距離之間的關(guān)系計(jì)算距離。

在上述的多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)中，單頻相位模式模塊包含鎖相環(huán)、放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；用于采用單一的超聲波發(fā)射頻率和與之對(duì)應(yīng)的接收頻率，通過測(cè)量發(fā)射波與回波之間的相位差，利用相位、波長和距離之間的關(guān)系計(jì)算距離。

在上述的多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)中，多頻相位模式模塊包含鎖相環(huán)、放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；用于采用至少2種不同的發(fā)射頻率和與之對(duì)應(yīng)的接收頻率，通過分別測(cè)量多束發(fā)射波與回波之間的相位差和頻率差，利用相位差、頻率差、聲速和距離之間的關(guān)系計(jì)算距離。

在上述的多工作模式的超聲換能器測(cè)距系統(tǒng)中，選擇器/開關(guān)模塊選用2-4線譯碼器。