基于静电超声换能器的测距系统的设计

【摘要】：本文基于收发一体的静电超声换能器,设计了一套高精度超声波测距系统,并通过HMI直观显示测距系统的工作状态和测量结果。针对超声波测距系统现在存在的测量精度低、测距范围受限等问题,本文研究了静电超声换能器的结构和工作原理,提出了一种基于静电超声换能器的高精度超声波测距方案,同时以友好的HMI直观显示系统工作状态和测量结果。本系统采用收发一体式的静电超声换能器作为信号探头,根据静电超声换能器的结构和工作原理设计硬件电路和软件系统。硬件设计部分包括电源模块、超声模块以及蓝牙模块。软件设计部分包括嵌入式系统和上位机系统。其中,嵌入式系统完成信号处理、温度采集、计算目标距离以及数据通讯等功能。上位机系统实时监测距离信息、环境温度以及上下位机的通信状态等。为保证测距系统的测量精度,要避免发射超声波信号过程中余波信号的干扰,缩小盲区。本文选择将单片机输出的脉冲信号经变压器升压后输送至超声波传感器,以提高驱动电压。同时通过电容与变压器匹配,使变压器次级与发射器构成谐振回路,使得发送波型接近正弦波。其次,由于声波的衰减,随着传播时间以及距离的增加,回波信号幅值逐渐变小,导致测量范围受限。为扩大测量范围,使回波信号趋于稳定,设计了时间增益补偿电路(TGC),随着超声波的传播,逐渐放大对回波信号的增益倍数,保证回波信号不被淹没。最后,搭建实验测试平台并测试超声测距系统的相关性能指标,包括温度补偿功能、系统的稳定性和系统测量盲区、量程以及测量精度等。经实验结果表明,该系统测量精度达到了 1mm,盲区低至15cm,测量范围可达5m。为空气中的高精度超声测距系统提供了技术支撑。