第２５卷第４期增刊
儀器儀表學報
２００４年８月
大量程超聲波回波測距系統的研究
（北京科技大學資訊學院測控系北京１０００８３）
陳先中張爭王偉
摘要描述了超聲波脈衝回波測距系統的基本組成；重點對大量程超聲波發射電路進行了比較，提出了三種工業用大量程超聲波測距系統的激勵電路原理，並分析了電感瞬間放電法原理在大量程測距系統中的應用；設計了低雜訊程式控制放大脈衝接收電路，實現大量程條件下訊號的穩定接收；提出了在發射和接收電路之間設定「硬開關」和「軟開關」的設計概念，徹底切斷發
射電路和其他回波訊號對接收電路的干擾，提高回波訊號的訊雜比，實現大量程範圍內距離的準確測量。最後，對智慧型回聲接收軟體的波形分析法進行了簡單的介紹，並給出了一些智慧型化處理的例項。
關鍵詞超聲波。發射接收電路。衣算回波測距系統
體和液位的測量，一般測量精度較高，回波表現穩定；１引言
但當需要進一步加大測量距離，進一步提高激勵電壓時，測距加大時，如何設計出滿足低雜訊可程式控制放大回
在脈衝反射波測距系統中，目標測距的方法包括：
波幅值的電路，同時配合大功率復合探頭優化發射和從換能器向目標發射至少乙個高頻能量的脈衝，然後
接收電路的設計，成為問題的關鍵。換能器接收從目標方向發射回來的能量，形成至少乙個回波訊號，接著在一定間隔內對返回訊號的幅值進２脈衝超聲發射電路的設計
行反覆取樣形成乙個數位化的資料庫。該資料庫把回波訊號幅值與系統記錄的時間聯絡起來。最後，從資料在脈衝反射波測距系統中，往往需要對電路施加
庫中找到至少乙個目標區域，使在這個目標區域裡，回特定的激勵脈衝，通過時間序列上對接收脈衝的處理，波訊號的幅值比背景雜訊大。
達到測量距離的目的。目前激勵脈衝主要根據週期，頻目前大量程超聲波測距系統主要包括：大功率發
率，幅值的不同，分別包括正弦訊號，方波，或瞬間高壓射電路的設計，低雜訊程式控制接收放大電路的設計以及尖脈衝等。對於大量程的測距系統，主要以瞬間高壓連智慧型回聲接收軟體的設計等三個應用問題。
續激勵脈衝為主。
目前國內物位測量的應用主要集中在。－１０公尺固
高壓激勵脈衝產生的方法按激勵元件分為：直接
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電源激勵法，電容瞬間放電法，電感瞬間放電法等。兩端激勵電壓可以超過１００ｖ以上，激勵探頭後振幅
２．１直接電源激勵法：
直接電源激勵法也稱直接軟開關控制電源探頭激
可達１０００ｖ左右，適合大量程測矩系統的應用。
勵法。如圖１所示，電路由電源模組ｕ，ｐ溝道絕緣場效電晶體ｑ，電阻ｒ，電容ｃ，探頭ｔ組成。當控制端有訊號跳變時，ｐ溝道絕緣場效電晶體ｑ瞬間導通，形成從電源到地的瞬間短路，此時瞬間電流很大，並直接載入在探頭兩側，形成電壓對探頭的激勵作用。
圖３電感放電法示意圖
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圖１電源激勵法示意圖
該方法原理簡單，直觀性強，適合在小量程測距系
統中使用。但對測距超過ｌ０ｍ以上的量程，往往需要
ｌｏｏｖ以上的電源激勵模組，瞬間過電流對發射電路有
很強的衝擊作用，易出現電路板和電源的故障。
２．２電容瞬間放電法：
圖２為間接式電容充放電法激勵電路原理圖，將探頭接在系統的旁路，通過電容瞬間載入在探頭上的電容高壓放電來激勵探頭。電路由ｎ溝道絕緣場效電晶體ｑ，電阻ｒ，儲能電容ｃ以及保護二極體等組成。當ｑ的柵極為低電平時，ｎ溝道絕緣柵場效電晶體ｑ關斷，通過電容ｃ和旁路電阻ｒ和二極體ｄ充電，充電時間取決於時間常數ｒｃ值，當ｑ的柵極為高電平時，ｎ溝道絕緣柵場效電晶體ｑ導通，儲存在電容ｃ中的能量瞬間通過場效電晶體ｑ、正向二極體ｄ向探頭ｔ放電，在探頭ｔ中激發出超聲波。
電阻ｒ（或電感ｌ）用於調節激發能量，可以改變激發的超聲波諧振幅值。整個充放電過程需要加保護電路防止損壞。
圖２電容放電法示意圖
２．３電感瞬間放電法
圖３為電感瞬間放電法激勵電路原理圖。此時用
絕緣場效電晶體ｑ作為開關，利用電感在充放電過程中產生瞬間高電流原理對探頭進行激勵。通過調整電感引數以及控制訊號的頻率，達到探頭的共振頻率。電感
此時高壓脈衝在幾十千赫到幾百千赫之間，寬度
為幾百納秒到幾微秒，脈衝電壓的幅值為幾十到幾百
伏，脈衝的上公升時間為幾十納秒。設計的電源模組，脈衝電壓為幾十伏到幾百伏可調。實踐中可以靈活地採
用可控矽，或高速功率三極體代替場效電晶體，進行激
勵，也可以達到預期的效果。
３低雜訊接收電路的設計：
接收電路中，系統模擬訊號回波的質量主要取決
於被測物件表面形狀的密度，形狀，距離的遠近等。而在數位化的回波資料庫中則往往還存在：外界固有目標的干擾，移動目標的週期和隨機干擾，以及模擬電路
本身引人的干擾等。因此模擬電路地設計必須有較強的適應能力，和對干擾訊號的抑制能力。
在大量程回波測距系統中，回波訊號的幅值變化表
現的較為強烈，會有大量的電干擾訊號和外界回波幹
擾；因此問題的解決包括：低雜訊放大電路設計，程式控制放
大器的設計，濾波電路的設計，訊號整形電路設計。
通常在大量程單發單收電路中，接收電路中往往
存在較大的發射尾波的干擾，因此在發射電路和接收
電路之間，針對大的發射能量，僅僅採用電容隔離往往效果很差，因此在電路設計中直接加人了高速模擬開
關，當連續激振訊號結束後，開關迅速切斷，實現徹底電訊號在輸人和輸出端的隔離，從根本上徹底切斷發
射電路對接收電路的干擾，從效果看其作用相當於是
乙個「硬開關」。
而「軟開關」的設計主要考慮在回波等待過程中，會混人大量雜散回波和電雜訊訊號，因此採用了以下
綜合措施：軟體帶通濾波和闌值濾波，設定面積比較法，斜率法，訊雜比法等，濾除回波訊號之外的其他信
號。其作用相當於數值軟體計算的「軟開關」，一般軟開關為序列工作，運算速度較慢，但對大量程回波訊號往
往有足夠的時間計算回波，配合智慧型識別，從而較好地實現大量程範圍內距離的準確測量。
第４期增刊
大量程超聲波回波測距系統的研究
具體的收發電路硬體包括：超聲波換能器（探頭），放大電路，接收電路，溫度補償電路，選擇按鈕部分以
及顯示部分。採用微控制器系統進行設計，包括取樣系
統，４－２０ｍａ輸出電流，報警電路等。電路的原理示意
圖如圖４所示。
４回波軟體的設計：
設計了大量程智慧型測距回波分析軟體，包括接收返回訊號的資料取樣和處理，數位化的資料庫波形的時域和頻域分析，以及其他尋峰演算法，數字濾波（去除
示意圖圖５智慧型回波軟體流程圖
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尖峰脈衝，去除小干擾），人機介面，顯示等。圖５舉出了乙個軟體流程的設計例項。
５結論例如，對於資料庫中明顯不合理的資料，則此資料可能是由於干擾造成的。回波程式可以根據使用者對物
對現有超聲波測距系統進行了分析，重點比較了位變化速度的選擇（不加選擇視為慢變），設定平均權激發電路中三種激發方式，提出各種方式在超聲波測數ｘ，慢變設為ｘ＝５次，快變設為ｘ＝３次。發射一次ｘ
量中的應用範圍；研究了低雜訊電路在測量中的應用，
值加１，滿３次或５次時進行平均。
提出對遠距離，大量程超聲波測距系統採用可程式控制放
而其他的平均去噪的方法，例如首先求出ｘ個結大電路的設計的方案；最後，對智慧型回聲接收軟體的波果的平均值，然後分別求這個ｘ數與此平均值的差數形分析法進行了簡單的介紹，並給出了一些智慧型化處
的絕對值，將差數絕對值最大的那個結果刪除。然後將理的例項。
剩下的ｘ－１個結果再求平均作為最終的測量結果，送顯示，完成一次完整的測距等。
參考文獻
在大量程測距系統的設計中，圖５還給出了乙個
簡單引數調整介面的例項。例如，採用了在此功能模組
中按動１，４鍵可以對引數進行迴圈修改，修改後的參
一３８．數實時的顯示出來，修改為合適的值之後，可以按２，３
「美］ｐ．ｍ．莫爾斯，ｋ．ｕ．英格特著．理論聲學（上冊）．北
鍵轉到測距介面或其他引數的修改。一旦發生介面切
京：北京科學出版社
換，引數將按最後的顯示值儲存。
王家禎，王俊傑編著．感測器與變送器．北京：清華大學出
聲智慧型回波軟體的設計，根據測量的經驗，周圍的版社
環境，數字的分析等智慧型化精確化，一直是聲學應用研
張福學編著．現代實用感測器電路．北京：中國計量出版
究的熱門，目前仍然還有很多問題需要研究。
社，１９９７．３０７一３１４．
．喊．卜一，．卜．司．卜．司．卜．司．卜．月．卜．月．卜．間口卜．州．卜．心．卜．州．卜一司．卜．悶卜．司．卜．州．卜一州卜．司．卜．司．卜一悶．卜．司．卜．，．卜一閱卜．閱卜．川卜．閱卜．悶．卜．悶．卜．喊日卜．喊．卜．司．卜一咧．卜一司．卜一司．卜。叫．卜．叫．卜一閱卜．叫卜一州卜一閱卜．州卜。川卜．川卜一川卜一閱卜．州卜．川卜．川卜．，卜．喊．卜．
（上接第１５７頁）
一１９８．
溫度進行有效的測量，反映了本系統構成方式的可行性。與以往系統相比，本系統電路結構更簡潔，硬體成
本更低，操作也更靈活。如將其它型別的諧振型感測器
應用於該系統，也可實現對應力、應變、加速度等參量
的測量，這為無源無線感測系統應用於特殊環境下的
引數檢測開拓了廣闊的應用前景。
參考文獻
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