本发明专利技术提供一种基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统及方法，包括当激励信号源提供激励信号时，同时向激励电路和超声换能器传递函数提供激励信号；基于激励电路激励超声波换能器，以使超声波换能器发射超声波；基于超声换能器传递函数模块根据激励信号和传递函数生成模拟余振信号；当激励信号源停止提供激励信号时，基于反馈控制器根据模拟余振信号生成余振抑制信号，并将余振抑制信号输入所述激励电路，以供激励电路将所述余振抑制信号施加至超声换能器，直至超声换能器的余振信号减小到预设阈值。本发明专利技术的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统及方法利用传递函数实现对超声换能器余振的削弱，减少超声换能器近距离测距的盲区。器近距离测距的盲区。器近距离测距的盲区。
【技术实现步骤摘要】
基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统及方法
[0001]本专利技术涉及超声换能器的
，特别是涉及一种基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统及方法。
技术介绍
[0002]超声检测技术利用发射超声换能器发射超声波，在不同密度、声速的介质中发生反射、折射、透射等，随后通过接收超声换能器接收超声波，通过对接收到的信号分析即可获取目标信息。目前，该技术被广泛应用于非接触式检测、指纹识别、医疗成像等方面。相较雷达测距、激光测距、红外测距等测距方式，超声波检测技术符合现代非接触式检测、指纹识别和现代医学成像等应用场景精细化、阵列化、微型化及智能化等发展需求。
[0003]超声波测距主要通过超声波发射端发射超声波，接收端接收遇到物体反射回来的超声波，通过检测回波的幅值或者相位进而判断物体位置。现有技术中的超声换能器系统包括激励电路、超声换能器和接收电路。激励信号通过激励电路激励超声换能器发射超声波，超声波在遇到目标后被反射回超声换能器，接收电路接收并对超声换能器接收到的回波信号进行处理，产生距离信息。上述系统属于开环系统，结构简单，但是精度不高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感，因此实际使用过程中其效果往往不佳。
[0004]TOF(Time of Flight，飞行时间)模式是最常用的一种测距模式，通过测量超声波发射与接收之间的时间差，进而利用时间、声速和距离之间的关系计算出距离。由于TOF模式操作简单、系统要求低，在各种测距场合得到了广泛的应用。TOF测量技术所面临的一个共性问题是超声波换能器在近距离测量时存在工作盲区。超声换能器是一个典型的机电系统，其将电信号转换为振动信号再转换为声信号，或将声信号转换为振动信号再转换为电信号。同其他振动系统一样，在激励停止后，由于惯性，超声换能器并不能马上停止振动，而是以幅值逐渐衰减的自由振动的方式持续振动一段时间，直到残余能量消耗完毕，如图1所示，上述自由振动阶段一般被称为余振或者“拖尾”。若在超声波换能器余振幅值未衰减至一定阈值便接收到超声波回波信号，则超声波回波信号将受到超声波换能器的余振信号的影响，从而导致无法检测超声波回波信号或者影响TOF时间的判断。如图2(a)所示，若在超声波换能器余振幅值未衰减至比超声波回波信号最大幅值小便接收到超声波回波信号，则超声波回波信号将淹没于超声波换能器的余振信号之中，导致无法检测超声波回波信号。如图2(b)所示，若在超声波换能器余振幅值虽衰减至比超声波回波信号最大幅值小但是未衰减至不足以影响回波信号的阈值以下便接收到超声波回波信号，此时虽然能检测到回波信号，但是由于余振幅值未衰减至不足以影响回波信号的阈值以下，此时的回波信号实际为真实回波信号与余振信号的叠加，叠加的信号会发生畸变，从而影响后续TOF计算算法的鲁棒性，影响传感器对距离的判断。超声波换能器激发开始至余振幅值减小至不足以影响回波信号的阈值的时间称之为超声波换能器工作盲区。由于超声波换能器工作盲区的存在限制了超声波在近距离测距的测距范围。
[0005]现有技术中，超声换能器余振以及盲区的解决方案主要通过以下两个方面的改
进：
[0006]一、超声换能器结构的改进
[0007](1)隔离/隔振结构改进，如专利CN 203178487 U、CN 204422750U、CN 110873873A、WO2019051921A1提出的方案，通过将超声换能器发射端和接收端隔离或者在发射端设置隔振结构，削弱发射端对接收端的影响。
[0008](2)吸收后向辐射声波，如专利CN 103691654 B提出的方案，将背衬层的反射面设置为斜率连续变化的碗状形状，后向辐射声波在背衬层中沿各个角度多次反射，以至于大部分消散或被吸收，从而有效抑制换能器向后辐射声波，减小换能器余振。
[0009]然而，结构方面的改进虽然可以起到一定的作用，但其并不能完全消除余振的影响，并且大大增加了结构的复杂程度。
[0010]二、超声换能器系统的改进
[0011](1)调整激励信号强度，如专利CN 101173986 B、CN 102749108 B、CN 104180860 B、CN 104154961 B、CN 107390203 B提出的方案，激励电压越高产生的超声波能量越强，但是随着超声换能器振动变强，带来的余振将会越强。上述专利通过在远距离测距时使用强度较高的超声波，近距离测距时使用强度较低的超声波，用以解决由近距离处较强超声信号带来的干扰所形成大盲区的问题。但是减小了发射能量将导致发射的超声波强度减小，回波的能量也会随之减小，将导致传感器的信噪比降低。
[0012](2)调整激励信号频率，如专利CN 108333590 A、CN 110850416 A、US2010036618A1所提出的方案，由于激励频率越接近超声换能器本征频率，超声换能器的振动越强，产生的超声波也会越强，但是余振同样也会越强。上述专利通过调节激励信号的频率，通过使用根据不同的距离使用不同频率的超声波进行测距的方法，降低了短距离测距中的盲区误差，提升了短距离测距的精度。但是未使用超声换能器本征频率激励同样会导致发射的超声波强度减小，从而降低传感器信噪比。
[0013](3)调整发射信号组成，如专利CN 108519592 A提出的方案，通过在激励后对超声换能器施加若干和激励信号反相的信号来加快超声换能器上余振的衰减速度，从而减小超声测距中的盲区。但是反相脉冲数设置严重依赖经验以及环境，数目设置不当将会导致换能器在余振停止后，反相信号并未停止，反相信号激励换能器继续振动的情况。
[0014](4)调整电路结构，如专利CN 102621552 B、CN 102749109 B所提出的方案，通过调整电路结构，用以避免驱动信号输入到后续的放大电路中可能引起的自激振荡或者实现余震能量的加速消耗。但是其增加了电路的复杂程度。
[0015](5)后端信号处理，如专利CN 104823072 B、CN 105699975 B、CN 106483526 A、CN 108572365 A、US10031217B2所提出的方案，通过对接收到的信号进行处理，用以消除余振信号，提取回波信号。但是实际信号非常容易淹没在噪声以及余振信号中，上述方法增大了信号采集和信号处理的难度。
[0016]综上，超声换能器的余振是导致超声换能器盲区的主要原因，但是现有技术没有抑制超声换能器余振的解决方案，导致无法从根本上解决超声换能器的盲区问题。现有技术中的大部分方法是仅仅只是削弱余振的影响，但同时也带来了传感器信噪比减低、结构/电路复杂程度增加、信号处理难度增加等问题。
技术实现思路
[0017]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统及方法，利用传递函数实现对超声换能器余振的削弱，从而减少了超声换能器近距离测距的盲区。
[0018]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于传递函数减小超声换能器余本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统，其特征在于：包括激励信号源、激励电路、超声换能器、接收电路、反馈控制器和超声换能器传递函数模块；所述激励信号源用于同时向所述激励电路和所述超声换能器传递函数提供激励信号；所述超声换能器传递函数模块用于获取所述超声换能器的传递函数，并根据接收到的激励信号和传递函数生成模拟余振信号；所述激励电路用于在所述激励信号输入时根据所述激励信号激励所述超声换能器；在余振抑制信号输入时根据所述余振抑制信号激励所述超声波换能器；所述超声换能器与所述激励电路相连，用于在所述激励电路的激励下发射信号；所述接收电路与所述超声换能器相连，用于接收所述超声换能器发送来的信号；所述反馈控制器与所述超声换能器传递函数模块和所述激励电路相连，用于在所述激励信号停止时，根据所述模拟余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路，以供所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，直至所述超声换能器的余振信号减小到预设阈值。2.根据权利要求1所述的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统，其特征在于：所述超声换能器传递函数模块获取所述超声换能器的传递函数采用以下任一方式：1)对所述超声换能器施加不同类型的激励信号，获取所述超声换能器在激励阶段和余振阶段的响应信号；基于预设辨识算法对所述激励信号和所述响应信号进行辨识，获取所述超声换能器传递函数；2)获得所述超声换能器在不同输入信号下的超声换能器位移、速度、加速度，通过对所述输入信号及所述超声换能器位移、速度、加速度进行辨识，获取所述超声换能器传递函数。3.根据权利要求1所述的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统，其特征在于：所述反馈控制器采用比例控制器、比例-微分控制器、比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。4.根据权利要求1所述的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统，其特征在于：所述激励信号为正弦信号、余弦信号或方波信号；所述模拟余振信号为振动电压信号、振动位移信号、振动速度信号或振动加速度信号。5.根据权利要求1所述的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴志鹏，娄亮，刘洋，仝志昊，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：
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