李享

摘 要：隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，超聲測(cè)距技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用。超聲換能器作為該技術(shù)的關(guān)鍵組成部件，可實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化，并決定了超聲測(cè)距系統(tǒng)能完成的最終指標(biāo)。通過(guò)分析超聲換能器的工作原理，對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路和回波接收電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討。

關(guān)鍵詞：超聲換能器；驅(qū)動(dòng)電路；回波接收電路；超聲測(cè)距系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TB552 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.079

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲測(cè)距系統(tǒng)在我國(guó)各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，比如在測(cè)井工程、機(jī)器人定位和車輛導(dǎo)航等方面得到了普遍運(yùn)用。由于超聲測(cè)距系統(tǒng)可進(jìn)行非接觸測(cè)量，且不受煙霧、光線和磁場(chǎng)等的影響，可準(zhǔn)確、便捷地實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，因此，人們對(duì)該系統(tǒng)的重視程度越來(lái)越高。驅(qū)動(dòng)電路和回波接收電路作為超聲換能器的核心部分，其性能對(duì)整個(gè)超聲測(cè)距工作有著至關(guān)重要的影響。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和回波接收電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究有著重要意義。

1 超聲換能器的測(cè)距原理

超聲測(cè)距系統(tǒng)充分運(yùn)用了超聲波的特點(diǎn)，通過(guò)電能轉(zhuǎn)化的形式向外發(fā)送和接收超聲波，從而實(shí)現(xiàn)回聲探測(cè)。所謂“超聲波”，是指諧振頻率較高的聲波，科學(xué)上定義達(dá)到20 kHz或超過(guò)此范圍的聲波為超聲波。因其頻率較高，且以直線的形式傳播，所以，可利用這些特性實(shí)現(xiàn)超聲換能器的換能。

圖1 超聲測(cè)距原理示意圖

利用超聲換能器能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由于受到電脈沖的作用，超聲波會(huì)沿著介質(zhì)方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)聲波遇到目標(biāo)后，因自身的反射作用形成回波，回波返回至換能器，由換能器的接收部件接收并轉(zhuǎn)換成電能，如圖1所示。如果已知介質(zhì)聲速為c，由超聲波發(fā)出到接收第一個(gè)回波的時(shí)間為t，則換能器與目標(biāo)之間的距離s=ct/2.為了節(jié)省成本，超聲換能器采用的超聲波探頭的實(shí)際距離d=s.

2 超聲換能器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路的原理

圖2 超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路

圖2為超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖，TR右側(cè)為超聲換能器的等效電路，左側(cè)為激勵(lì)信號(hào)的功率放大電路。高速光耦6N13為強(qiáng)弱電間的隔離器件，當(dāng)微處理器發(fā)出方波信號(hào)時(shí)，激勵(lì)信號(hào)會(huì)經(jīng)光電耦合輸入，三極管Q1會(huì)將輸出信號(hào)放大。變壓器的單端激勵(lì)由驅(qū)動(dòng)MOSFET管Q2構(gòu)成，通過(guò)變壓器與Q2的接成完成阻抗匹配和升壓工作；三極管Q3和限流電阻R6可起到保護(hù)電路的作用。

2.2 脈沖變壓器設(shè)計(jì)

超聲換能器的變壓器選擇是整個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在變壓器的選擇方面，選擇了在轉(zhuǎn)換電能時(shí)能形成單極性脈沖的變壓器，這種特殊的變壓器又稱為脈沖變壓器。脈沖變壓器的設(shè)計(jì)非常困難，需要在理論基礎(chǔ)的支撐上開展測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整完成設(shè)計(jì)。

2.2.1 變壓器工作頻率的確定

超聲換能器的工作頻率往往決定了變壓器的工作頻率。在脈沖變壓器的設(shè)計(jì)中，如果超聲換能器的工作頻率fr為30 kHz，則與之對(duì)應(yīng)的脈沖變壓器工作周期T=33 μg。

2.2.2 變壓器最大導(dǎo)通時(shí)間的確定

最大導(dǎo)通時(shí)間的確定取決于脈沖變壓器的工作周期，計(jì)算公式為：

TONmax=T×Dmax. （1）

脈沖變壓器的占空比是電路設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)之一，通常用D表示。如果超聲換能器為正向激勵(lì)的變換器，則D的選值一般為0.4～0.45. 由于其對(duì)輸出變壓器、變換器效率和主開關(guān)元件等有較大的影響，因此，一定要結(jié)合設(shè)計(jì)需要選擇D的值。結(jié)合上述計(jì)算公式可知，最大導(dǎo)通時(shí)間TONmax為15 μg。

2.3 變壓器變比的確定

變壓器的變比由N表示。當(dāng)超聲換能器的額定功率Pout確定時(shí)，變壓器的功率負(fù)荷Pout/η也可確定。變壓器的變比計(jì)算公式為：

. （2）

式（2）中：VDC為電源的電壓；VDSS為場(chǎng)效應(yīng)導(dǎo)通壓降，1； 為脈沖變壓器諧振電路的等效阻抗；η為變壓器的效率；

一般情況下， 和η為固定值。當(dāng)確定最小輸入電壓后，根據(jù)式（2）可計(jì)算出變壓器的變比。

2.4 變壓器鐵芯的選擇

鐵芯可決定脈沖變壓器的質(zhì)量和體積指標(biāo)，因此，選擇合適的鐵芯對(duì)脈沖變壓器設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在脈沖變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，常采用軟磁合金、有電工鋼、非晶態(tài)合金和軟磁鐵氧體等多種材質(zhì)作為鐵芯。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，因軟磁鐵鐵氧體具有較高的工藝性和低廉的價(jià)格，受到很多使用者的青睞；鐵氧體鐵芯的電阻率較高，符合脈沖變壓器的設(shè)計(jì)要求。

鐵芯選擇公式為：

. （3）

式（3）中：S為磁芯的有效截面積；Q為鐵芯窗口的截面積；Bm為鐵芯工作的最大磁通密度；KT為鐵芯的填充系數(shù)，1；J為導(dǎo)線承受范圍內(nèi)的電流密度，3～5 A/mm2。

2.5 變壓器繞組匝數(shù)的計(jì)算

變壓器繞組匝數(shù)是指變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組匝數(shù)。由于變壓器初級(jí)繞組匝數(shù) 與最大工作磁通密度Bm有一定的聯(lián)系，所以，可以根據(jù)最大工作磁通密度計(jì)算 ，計(jì)算公式為：

. （4）

最大工作磁通密度Bm一般可根據(jù)B-H特性曲線看出，只要將已知量的數(shù)值代入式（4），即可計(jì)算出變壓器的初級(jí)繞組匝數(shù)。變壓器的次級(jí)繞組匝數(shù)可由變壓器的變比確定，即N2=N1×N.雖然無(wú)法確定各繞組導(dǎo)線的匝數(shù)，但各繞組導(dǎo)線的直徑可通過(guò)以下公式計(jì)算：

. （5）

式（5）中：Ii為流經(jīng)繞組導(dǎo)線的有效電流。

3 超聲換能器的回波接收電路設(shè)計(jì)

回波接收電路并不是獨(dú)立的整體。圖3為超聲換能器的回波接收電路設(shè)計(jì)原理圖，回波接收電路由三大部分組成，即自動(dòng)電平控制ALC電路、帶通濾波器和前置放大電路。

圖3 超聲換能器的回波接收電路設(shè)計(jì)原理圖

3.1 前置放大電路設(shè)計(jì)

由于超聲換能器的輸出電阻很大，且需要較大的輸入阻抗，因此，在回波接收電路設(shè)計(jì)中應(yīng)使用前置放大器。由圖3可看出，前置放大器位于超聲換能器回波接收電路的前端，往往由儀表放大器AD620構(gòu)成，具有較高的輸入阻抗。由于超聲換能器內(nèi)部具有收、發(fā)同體傳感器，會(huì)在收、發(fā)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生干擾，進(jìn)而影響超聲換能器工作的穩(wěn)定性，因此，設(shè)置前置放大器可保護(hù)后面的放大電路。具體，可在放大器輸入端接連一對(duì)反向二極管，從而通過(guò)二極管的箝位保護(hù)電路。

圖4為超聲換能器回波接收前置放大電路示意圖。為了抬高輸入端的電位，可在前端放置電阻R1和R2。由于電子元件在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，第一級(jí)前置放大電路的前向通道內(nèi)不可加入電容，但為了抑制電壓失調(diào)，電容C是必不可少的；為了實(shí)現(xiàn)阻抗，匹配加入了電阻R3。前置放大電路一般采用單電源的交流電，因此，輸入端需要抬升至電源的1/2電位。

圖4 超聲換能器回波接收前置放大電路

3.2 帶通濾波器設(shè)計(jì)

檢測(cè)超聲換能器的信號(hào)后發(fā)現(xiàn)，回波中夾雜著各種頻率的噪聲。帶通濾波器為過(guò)濾信號(hào)的主要部件，可抑制熱噪聲、50 Hz工頻信號(hào)和高頻干擾信號(hào)，并可提取波中有用的信號(hào)，以保證信號(hào)不失真。圖5為帶通濾波電路的設(shè)計(jì)原理，該帶通濾波器的噪聲極低，由RC阻容網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器構(gòu)成。如果品質(zhì)因數(shù)Q和諧振頻率f0為固定值，則選定電容C后便可計(jì)算出諧振

增益的數(shù)值，計(jì)算公式為：

. （6）

聯(lián)立上述方程可求出諧振增益的數(shù)值。

圖5 帶通濾波電路設(shè)計(jì)原理圖

3.3 自動(dòng)電平控制ALC電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)電平控制主要控制回波信號(hào)的幅值。超聲波的回波信號(hào)會(huì)隨測(cè)距的變化而變化。為了更好地接收回波，需要通過(guò)增益控制來(lái)固定幅值的變化范圍。如圖6所示，自動(dòng)電平控制ALC電路設(shè)計(jì)控制幅值范圍為A/D的轉(zhuǎn)化。ALC電路設(shè)計(jì)采用三極管作為控制元件，R1和R2用于三極管的接地部分，R6和R7組成了整個(gè)電路的分壓電路，通過(guò)將交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，可使三極管形成回路。此外，VI決定了VB的變化，VI小則VB小，VI大則VB大。要想使三極管形成回路，則VI必須增大，進(jìn)而導(dǎo)致VB增大、三極管的C內(nèi)阻和E內(nèi)阻變小。當(dāng)VI變小時(shí)，VB隨之變小，三極管的電阻增大，進(jìn)而導(dǎo)致三極管難以導(dǎo)通。由此可見，VI決定了C與E之間電阻的變化。因此，將VI控制在一定范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電平控制。

圖6 自動(dòng)電平控制電路設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲測(cè)距系統(tǒng)在未來(lái)會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，超聲換能器的設(shè)計(jì)也會(huì)更加科學(xué)、精細(xì)。本文對(duì)超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路和回波接收電路的設(shè)計(jì)十分嚴(yán)格，明顯提高了機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換效率，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格推導(dǎo)后得到了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了更大范圍的超聲測(cè)距功能。

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〔編輯：張思楠〕