单体超声传感器探测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种单体超声传感器探测系统，包括两只超声探头、电源、信号发生器、数字示波器和计算机，超声探头由电路系统以及超声传感器封装而成，电路系统用于控制超声传感器发送与接收超声波并得出回波信号和触发信号之间的时间间隔，以超声探头一作为参照探头，得出当前测试环境下的超声波标准声速，以超声探头二作为测试探头，对待测距离进行测试；利用计算机分析数据得出测试距离。本发明专利技术利用电路系统实现对单体超声传感器发射与接收超声波的精确控制，准确测量超声波的传输时间；利用参照法对波形数据分析，降低环境因素带来的测量误差，具有灵敏度高、测量精准等优点。

【技术实现步骤摘要】
单体超声传感器探测系统
本专利技术属于传感器领域，具体涉及一种单体超声传感器探测系统。
技术介绍
超声波技术具有成本低，速度快，非接触，无损等诸多优点。因此，超声波检测技术广泛应用于许多间接检测领域，如工程测量，机器人，工业自动化等。然而，超声波在多层介质中的传输与反射非常复杂，定量检测较为困难。同时，超声波在相同介质下以不同频率传输时，超声波的能量衰减特性也有较大差异。通常，随着超声波换能器频率，传输距离，反射面吸收率和辐射角度的增加，超声波的能量衰减迅速增加。根据超声波发射单元和接收单元的结构，用于检测的超声换能器可以分为复合探头和单体探头。复合探头由一个发射换能器和一个或多个接收换能器/传感器组成，具有体积大、灵敏度低、测试电路简单等显著特点。单体探头只有一个同时兼具发射和接收两种功能的传感器，具有体积小、灵敏度高。测试电路复杂等显著特点。而正因为这些因素的限制，超声波检测技术在应用中有着许多困难。作为非接触检测技术，超声波可用于距离测量。在超声波检测领域，测量距离与传输时间密切相关。在相同的距离下，传输时间可以通过介质密度，环境温度和压力的参数来实现。当参数假定为常数时，获取超声穿透介质的传输时间是非常重要的。因此，测试电路系统的时间精度和响应速度对超声波检测应用具有重要的地位。对比文件：一种超声波测距系统及控制其测距的方法(201410124601.3)，采用两个超声换能器作为发射器和接收器，属于复合式探头，因此该探测系统两个探头频率的一致性难以保证，从而增大了测量误差；且该专利所述回波接收端口若一段时间内没有接收到回波信号，则需要重新发射超声波，使得测试系统的即时性低。设计了一套控制电路系统，该系统与单体探头的超声波变压器相匹配，可以实现对单体探头发射与接收超声波的精确控制，从而可以准确测量超声波的传输时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于准确测量超声波的传输时间，提出一种单体超声传感器探测系统，实现对单体探头发射与接收超声波的精确控制，解决测量误差大的技术问题。本专利技术采用如下技术方案，一种单体超声传感器探测系统，本专利技术采用一只超声探头作为测试探头，通过电路系统实现超声传感器对超声波的发送与接收，并且采用另一只超声探头作为参照探头，利用参照法对波形数据分析，单体超声传感器探测系统包括两只超声探头、电源、信号发生器、数字示波器和计算机，其中：超声探头由电路系统以及超声传感器封装而成，电路系统用于控制超声传感器发送与接收超声波并得出回波信号与触发信号的时间间隔；超声探头一作为参照探头，用于得出当前测试环境下的超声波标准声速；超声探头二作为测试探头，用于对待测距离进行测试；信号发生器与超声探头相连，用于产生触发信号；数字示波器分别与超声探头一、超声探头二和信号发生器相连，用于显示被超声探头捕获的回波信号和触发信号的波形；计算机与数字示波器连接，实现数字示波器与电脑之间的数据传输，数据经分析计算后得出测试距离。优选地，信号发生器产生的触发信号为负脉冲信号。优选地，电路系统包括波形调整单元、信号发生单元、超时复位与自锁单元、回波捕获与放大单元以及输入输出电平转换单元，信号发生器产生一个负脉冲触发信号，自输入输出电平转换单元的测试触发端口输入，输出到波形调整单元，经波形调整单元将脉冲信号反相之后输入超时复位与自锁单元，由超时复位与自锁单元的单次触发与回波触发控制端口输出处理后的触发信号，位于输入输出电平转换单元的回波端口接收处理后的触发信号并开始计时，作为计时信号；同时，信号发生器产生的触发信号由波形调整单元强化，输入到信号发生单元，进而驱动发送接收一体超声换能器产生超声波，返回的超声波被回波捕获与放大单元捕获并放大，放大后的信号输入到超时复位与自锁单元，单次触发与回波触发控制端口输出回波信号，输入输出电平转换单元接收回波信号并停止定时，输入输出电平转换单元与数字示波器相连，将正脉冲信号显示在数字示波器上。优选地，信号发生器发出负脉冲触发信号，同时输入数字示波器通道一、超声探头一和超声探头二，输入数字示波器通道一的信号作为对照信号，输入超声探头一和超声探头二的信号经过电路系统处理后输入数字示波器通道二和数字示波器通道三，作为计时信号。优选地，在波形调整单元中，由信号发生器产生的负脉冲触发信号自测试触发电路输出，输入到信号分配电路，在信号分配电路中利用电压比较器将负脉冲触发信号反相后得到正脉冲信号作为起始的计时信号输入至超时复位与自锁单元的单次触发信号输入端中；同时，从信号分配电路输出的正脉冲信号经过波形调整电路中的施密特触发器的翻转调整后，自信号发生使能端输入信号发生单元；正脉冲信号经波形调整电路中的施密特触发器翻转并延迟后得到单次触发锁定信号，输入到超时复位与自锁单元的单次触发锁定电路中；波形调整单元包括超时信号衰减模块，如果触发信号超时，超时信号衰减模块对超时信号进行衰减，以防止超时的触发信号对电路中信号传输的影响。优选地，在信号发生单元和回波捕获与放大单元中，信号发生使能端接收到正脉冲信号后经过震荡频率发生电路产生驱动信号输至超声换能器驱动电路，由超声换能器驱动电路驱动变压器，变压器将驱动信号传递至发送接收一体超声换能器，使发送接收一体超声换能器工作发射超声波；被介质反射回来的超声波信号被回波捕获与放大单元中的回波捕获电路捕获，捕获的回波信号由回波放大电路进行处理，然后由检波电路对回波信号检出，得到放大及检波后的回波信号。优选地，信号发生单元中的震荡频率发生电路采用555触发器，变压器与电容和电阻进行阻抗匹配得到谐振频率fu，fu即为超声传感器的中心频率以及超声传感器产生的超声波频率。优选地，采用超声传感器的频率范围为40～200KHz，保证测试精度。优选地，回波捕获电路包括两个二极管组成的钳位电路，与回波信号产生谐振，实现对回波信号的捕获。优选地，超时复位与自锁单元中包括回波信号匹配电路，回波信号匹配电路由两个电压比较器U1和U2组成，电压比较器U2的输出端口为单次触发与回波触发控制端口，连接输入输出电平转换单元；在波形调整单元中被反相的触发信号自单次触发信号输入端输入到电压比较器U2的同相输入端，通过电压比较器U2后输入到输入输出电平转换单元，在数字示波器上显示计时信号；触发信号通过后，波形调整单元中被延迟得到的单次触发锁定信号经单次触发锁定电路衰减后输入电压比较器U2的反相输入端，实现对电压比较器U2信号传输的锁定；电压比较器U1的同相输入端为回波信号输入端口经过放大检波处理的回波信号自超时复位与自锁单元的回波信号输入端口输入电压比较器U1的同相输入端，从波形调整单元输出的单次触发锁定信号经过单次触发锁定电路衰减处理后输入电压比较器U1的反相输入端，两个信号强度按照匹配原理进行匹配，满足匹配条件的回波信号，即回波信号幅值大于衰减处理后的单次触发锁定信号的幅值，回波信号自电压比较器U1输出，同时输入电压比较器U2的同相输入端，再次与衰减处理后的单次触发锁定信号匹配，满足匹配条件的回波信号通过电压比较器U2输出至输入输出电平转换单元。优选地，衰减处理后的单次触发锁定信号的高电平维持时间为盲区时间，对应于检测盲区的长度，探测盲区的长度Sb计算公式如下：Sb＝λ(Ni+Nr)激励周期Ti满足本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.单体超声传感器探测系统，其特征在于，包括两只超声探头、电源、信号发生器、数字示波器和计算机，其中：超声探头包括电路系统和超声传感器，电路系统用于控制超声传感器发送与接收超声波并得出回波信号和触发信号之间的时间间隔；超声探头一作为参照探头，用于得出当前测试环境下的超声波标准声速；超声探头二作为测试探头，用于对待测距离进行测试；信号发生器与超声探头相连，用于产生触发信号；数字示波器分别与超声探头一、超声探头二和信号发生器相连，用于显示被超声探头捕获的回波信号和触发信号的波形；计算机与数字示波器连接，实现数字示波器与电脑之间的数据传输，数据经分析计算后得出测试距离。

【技术特征摘要】
1.单体超声传感器探测系统，其特征在于，包括两只超声探头、电源、信号发生器、数字示波器和计算机，其中：超声探头包括电路系统和超声传感器，电路系统用于控制超声传感器发送与接收超声波并得出回波信号和触发信号之间的时间间隔；超声探头一作为参照探头，用于得出当前测试环境下的超声波标准声速；超声探头二作为测试探头，用于对待测距离进行测试；信号发生器与超声探头相连，用于产生触发信号；数字示波器分别与超声探头一、超声探头二和信号发生器相连，用于显示被超声探头捕获的回波信号和触发信号的波形；计算机与数字示波器连接，实现数字示波器与电脑之间的数据传输，数据经分析计算后得出测试距离。2.根据权利要求1所述的单体超声传感器探测系统，其特征在于，信号发生器产生的触发信号为负脉冲信号。3.根据权利要求2所述的单体超声传感器探测系统，其特征在于，电路系统包括波形调整单元、信号发生单元、超时复位与自锁单元、回波捕获与放大单元以及输入输出电平转换单元，信号发生器产生一个负脉冲触发信号，自输入输出电平转换单元输入，输出到波形调整单元，经波形调整单元将脉冲信号反相之后输入超时复位与自锁单元，由超时复位与自锁单元的单次触发与回波触发控制端口输出处理后的触发信号，输入输出电平转换单元接收处理后的触发信号并开始计时，作为计时信号；同时，信号发生器产生的触发信号由波形调整单元强化，输入到信号发生单元，进而驱动发送接收一体超声换能器产生超声波，返回的超声波被回波捕获与放大单元捕获并放大，放大后的信号输入到超时复位与自锁单元，单次触发与回波触发控制端口输出回波信号，输入输出电平转换单元接收回波信号并停止定时，输入输出电平转换单元与数字示波器相连，将正脉冲信号显示在数字示波器上。4.根据权利要求3所述的单体超声传感器探测系统，其特征在于，信号发生器发出负脉冲触发信号，同时输入数字示波器通道一、超声探头一和超声探头二，输入数字示波器通道一的信号作为对照信号，输入超声探头一和超声探头二的信号经过控制电路系统处理后输入数字示波器通道二和数字示波器通道三，作为计时信号。5.根据权利要求3所述的单体超声传感器探测系统，其特征在于，在波形调整单元中，由信号发生器产生的负脉冲触发信号自测试触发电路输出，输入到信号分配电路，在信号分配电路中利用电压比较器将负脉冲触发信号反相后得到正脉冲信号作为起始的计时信号输入至超时复位与自锁单元的单次触发信号输入端中；同时，从信号分配电路输出的正脉冲信号经过波形调整电路中的施密特触发器的翻转调整后，自信号发生使能端输入信号发生单元；正脉冲信号经波形调整电路中的施密特触发器翻转并延迟后得到单次触发锁定信号，输入到超时复位与自锁单元的单次触发锁定电路中；波形调整单元包括超时信号衰减模块，如果触发信号超时，超时信号衰减模块对超时信号进行衰减。6.根据权利要求3所述的单体超声传感器探测系统，其特征在于，在信号发生单元和回波捕获与放大单元中，信号发生使能端接收到正脉冲信号后经过震荡频率发生电路产生驱动信号输至超声换能器驱动电路，由超声换能器驱动电路驱动变压器，变压器将驱动信号传递至发送接收一体超声换能器，使发送接收一体超声换能器工作发射超声波；被介质反射回来的超声波信号被回波捕获与放大单元中的回波捕获电路捕获，捕获的回波信号由回波放大电路进行处理，然后由检波电路对回波信号检出，得到放大及检波后的回波信号。7.根据权利要求6所述的单体超声传感器探测系统，其特征在于，信号发生单元中的震荡频率发生电路采用555触发器，变压器与电容和电阻进行阻抗匹配得到谐振频率fu，fu即为超声传感器的中心频率以及超声传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈可，陈秉岩，周妍，朱昌平，单鸣雷，韩庆邦，高远，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32