一种高结构集成度的超声波传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种高结构集成度的超声波传感器，包括：多个超声波探头、雷达盒、雷达探头支架以及电缆组成；其中所述多个超声波探头和雷达盒通过电缆连接并集成在一个腔体内，所述多个超声波探头和所述雷达盒支撑在所述雷达探头支架上。还公开了对应的测距方法。超声波传感器将控制部分、电源部分与发射器、接收器集成在一起，特别是将开关量和模拟量输出一体化，信号的激励、接收和温度补偿结构集成在一个结构体内，从而使得超声波传感器的安装空间大大降低，集成化程度高，并且信号处理的干扰性和实时同步性大大提高，从而优化了整个传感器的防护特性和密封性能以及信号检测的准确性。确性。确性。

【技术实现步骤摘要】
一种高结构集成度的超声波传感器


[0001]本专利技术属于超声波传感器
，尤其涉及一种高结构集成度的超声波传感器。

技术介绍

[0002]超声波传感器是利用超声波的特性形成的传感器，以超声波作为检测手段，具体的通过产生和接收超声波完成测距，主要部件为超声波探头，其中更为核心的就是超声换能器。通常集成的超声波传感器会将超声波发射和接收的部分集成在一起，例如由压电晶片组成的超声波探头，这种探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的这块压电晶片。由此超声波传感器的主要材料有压电晶体（电致伸缩）以及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。
[0003]集成超声波传感器将发射和接收部分集成在一起，由发射器发出的一个超声波脉冲作用到物体的表面上，经过一段时间后，被反射的声波（回波）又重新回到接收器上，根据声速和时间就可以计算超声波传感器到反射物之间的距离。集成超声波传感器主要有两种外形，一是长方六面体的塑料外壳，二是螺纹管外形，两种类型都具有开关量和模拟量两种信号输出类型。
[0004]然而目前的所谓集成超声波传感器无法将控制部分、电源部分与发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）集成在一起，特别是将开关量和模拟量输出无法一体化，信号的激励、接收和补偿结构无法集成在一个结构体内，从而造成目前的超声波传感器的安装占据较大的空间，并且信号处理的干扰性和实时同步性较差，从而降低了整个传感器的防护特性和密封性能以及信号检测的准确性。
[0005]因此，上述的现有技术确实有待提出更佳解决方案的必要性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种高结构集成度的超声波传感器，将控制部分、电源部分与发射器、接收器集成在一起，特别是将开关量和模拟量输出一体化，信号的激励、接收和温度补偿结构集成在一个结构体内，从而使得超声波传感器的安装空间大大降低，集成化程度高，并且信号处理的干扰性和实时同步性大大提高，从而优化了整个传感器的防护特性和密封性能以及信号检测的准确性。
[0007]本专利技术第一方面提供一种高结构集成度的超声波传感器，包括：多个超声波探头、雷达盒、雷达探头支架以及电缆组成；其中所述多个超声波探头和雷达盒通过电缆连接并集成在一个腔体内，所述多个超声波探头和所述雷达盒支撑在所述雷达探头支架上，其中超声波探头由换能器、换能板和通信板作为主体结构，雷达盒内布置电源转换装置，用于分别将外部12V供电依次转换为5V后再转换为3.3V供MCU使用，雷达盒内设置12V隔离电源模块与RS
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485及探头的供电模块连接，外部12V供电接入后通过滤波电路与12V隔离电源模块连接，MCU与隔离RS
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485电路相互通讯，隔离RS
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485电路与外部通讯模块连通。
[0008]优选的，所述超声波探头由集成在腔体内的超声波换能器1、O型圈2、换能板3、通信板4、探头壳体5和信号线7组成，所述腔体的后端通过后盖6封闭，穿过所述后盖6上的通孔接入所述电缆；其中超声波换能器1包括发射器和接收器两个部分，均集成在腔体内。
[0009]优选的，探头壳体5通体采用不锈钢材料，前端包络固定有O型圈2和螺纹，用于孔型超声波探头安装时，可通过O型圈2进行固定；使用雷达探头支架安装超声波探头时，可通过隔套包裹O型圈2，然后使用锁紧螺母进行紧固安装。
[0010]优选的，所述超声波探头还包括电源转换电路和超声波探头通信模块，所述超声波探头通信模块集成在所述通信板4上，所述电源转换电路集成在所述换能板3上。
[0011]优选的，超声波探头通信模块包括RS485通信芯片，RS485通信芯片包括前端UART串口和后端通信接口，其中通过前端UART串口连接三极管控制实现无需单独控制的485自动收发功能，所述后端通信接口处使用TVS管对接口处进行瞬态防护，并预留终端匹配电阻，用于后续总线组网。
[0012]优选的，所述电源转换电路包括DC
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DC降压芯片和外围分压电路，从而实现将DC12V转换为DC5V，输出部分采用0.1uF和22uF电容并联。
[0013]优选的，所述雷达盒由雷达盒壳体8和雷达盒板9、雷达盒供电连接器10、雷达探头连接器11和上盖12组成；其中所述雷达盒板9上集成供电模块、雷达盒通信模块、信号处理转换电路以及探头信号接收及供电电路；其中，所述供电模块包括电源隔离电路、电源转换电路以及抗干扰电路；通信模块基于RS
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485通信模块实现。
[0014]优选的，雷达盒壳体8整体机加工，上盖12与雷达盒壳体8衔接处采用12颗M2螺钉进行固定连接；雷达盒壳体8为6061铝合金材质，外壳整体进行导电氧化处理。
[0015]优选的，雷达探头连接器11为雷达盒前面板安装的6个四芯传感器插座，用于和超声波探头电缆连接。
[0016]优选的，雷达盒供电连接器10为后面板安装的1个电连接器，用于和上级设备进行连接并供电。
[0017]优选的，所述抗干扰电路包括自恢复保险、瞬态电压抑制管TVS、滤波器以及配套的电感和电容电路。
[0018]本专利技术的第二方面在于提供一种基于高结构集成度的超声波传感器的障碍物测距方法，包括：S1，超声波传感器通过发射器向空间指定方向发射超声波信号同时开始计时，超声波信号在接触到障碍物后返回并被接收器接收；S2，超声波探头接收到返回的超声波信号后结束计时，并将超声波信号传输至雷达盒；S3，雷达盒通过内置电路对多个超声波探头接收到的超声波信号进行汇总；S4，对汇总后的超声波信号进行温度补偿并基于超声波测距计算公式解析处理为与障碍物的距离；所述超声波测距计算公式为公式（1）：（1）其中：S为探测距离，单位：m；
C为当前温度下的声速，单位：m/s；为超声波信号从被发射到被接收的时间间隔，单位：s。
[0019]作为优选的实施方式，空气中声速受温度影响，故对其进行温度补偿，所述温度补偿的公式为式（2）：（2）其中：T为摄氏温度，单位：℃。
[0020]本专利技术提供的传感器及其测量方法，具有如下有益的技术效果：（1）将控制部分、电源部分与发射器、接收器集成在一起，特别是将开关量和模拟量输出一体化，信号的激励、接收和温度补偿结构集成在一个结构体内，从而使得超声波传感器的安装空间大大降低，集成化程度高，并且信号处理的干扰性和实时同步性大大提高，从而优化了整个传感器的防护特性和密封性能以及信号检测的准确性；（2）超声波雷达盒的供电部分采用隔离电源转换模块，并增加前端滤波电路等强抗EMC干扰设计，完成对外供电的隔离转换处理，为自身和超声波探头供电，提高集成度；（3）通过隔离电源模块实现探测模块整体供电与外界电源的隔离，提高探测模块电源的抗干扰能力；探测模块通过使用隔离器芯片和独立的供电电路实现对外485通信的隔离，极大提高其抗干扰能力；（4）高集成度的情况下降低了探测所需的工号：在额定值12V的供电下，超声波雷达探头在静默状态下电流约为0.01A，雷达盒板内部电流约为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高结构集成度的超声波传感器，其特征在于，包括：多个超声波探头、雷达盒、雷达探头支架以及电缆组成；其中所述多个超声波探头和雷达盒通过电缆连接并集成在一个腔体内，所述多个超声波探头和所述雷达盒支撑在所述雷达探头支架上。2.根据权利要求1所述的一种高结构集成度的超声波传感器，其特征在于，所述超声波探头由集成在腔体内的超声波换能器（1）、O型圈（2）、换能板（3）、通信板（4）、探头壳体（5）和信号线（7）组成，所述腔体的后端通过后盖（6）封闭，穿过所述后盖（6）上的通孔接入所述电缆；其中超声波换能器（1）包括发射器和接收器两个部分，均集成在腔体内。3.根据权利要求2所述的一种高结构集成度的超声波传感器，其特征在于，所述超声波探头还包括电源转换电路和超声波探头通信模块，所述超声波探头通信模块集成在所述通信板（4）上，所述电源转换电路集成在所述换能板（3）上；超声波探头通信模块包括RS485通信芯片，RS485通信芯片包括前端UART串口和后端通信接口，其中通过前端UART串口连接三极管控制实现无需单独控制的485自动收发功能，所述后端通信接口处使用TVS管对接口处进行瞬态防护，并预留终端匹配电阻，用于后续总线组网；所述电源转换电路包括DC
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DC降压芯片和外围分压电路，从而实现将DC12V转换为DC5V，输出部分采用0.1uF和22uF电容并联。4.根据权利要求3所述的一种高结构集成度的超声波传感器，其特征在于，所述雷达盒由雷达盒壳体（8）和雷达盒板（9）、雷达盒供电连接器（10）、雷达探头连接器（11）和上盖（12）组成；其中所述雷达盒板（9）上集成供电模块、雷达盒通信模块、信号处理转换电路以及探头信号接收及供电电路；其中，所述供电模块包括电源隔离电路、电源转换电路以及抗干扰电路；通信模块基于RS
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485通信模块实现。5.根据权利要求4所述的一种高结构集成度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋高顺，高宝龙，郑峰，任少康，陈庆志，田丹阳，
申请(专利权)人：航天极创物联网研究院南京有限公司，
类型：发明
国别省市：