[发明专利]一种收发一体式超声波精密测距仪及测距方法

说明书

一种收发一体式超声波精密测距仪及其测距方法，测距仪电源子系统输入侧连接直流电源，输出端分别输出10V发射电至换能器驱动及收发隔离子系统、3.3V数字电至信号处理子系统、以及至少一路模拟电至回波程控放大子系统；信号处理子系统输出3.3V电平低压脉冲串至换能器驱动及收发隔离子系统，从而驱动控制电路工作，控制换能器处于发射状态，将高压脉冲能量通过换能器辐射出去；当信号处理子系统不输出低压脉冲串时，换能器处于接收状态，换能器驱动及收发隔离子系统输出换能器回波信号至回波程控放大控制子系统；回波程控放大控制子系统对换能器回波信号进行放大滤波，放大滤波后换能器回波信号输出至信号处理子系统。本发明体积小，精度高。

技术领域

本发明涉及一种收发一体式超声波精密测距仪，并涉及应用该装置而实现的测距方法。

背景技术

在工业制造领域，由于结构或环境参数的限制，通常需要基于一些非接触式测量机制实现对被测件的尺寸测量，此时传统的测距仪器如卷尺、游标卡尺、螺旋测微器等均难上正常使用。

为达到非接触式测量的目的，通常需要向被测件发射激光或超声波，然后接收由被测件反射回来的回波信号，并通过计算收发传输时间来间接得到传播距离，这两种方式通常也被称作激光测距和超声波测距，二者各有所长，激光测距的优点是能量集中、测量距离远，最远可达100m以上，但因为其传播速度极快（约3*10⁸m/s），对时间测量精度的要求极高，因此其测距精度难以做得很高（通常在厘米量级），同时激光测距也不适用于较小的测量距离。

与激光测距相比，超声波的特点正好与之相反，其传播速度相对较慢(约340m/s)，对时间测量的要求大大降低，测距精度高，但衰减快，主要用于10m以下的近距测量。

随着电子测量技术的发展，超声波测距仪已成为工业领域中一种常见的测量仪器，然而，传统的超声波测距仪存在以下两个缺陷，说明如下：

1、测量精度难以满足精密领域的特殊要求

传统的超声波测距仪通常使用收发一体式超声波换能器，工作频率20~40KHz，其优点是制造工艺成熟、空气中衰减速度慢、回波能量强，利用简单的过零比较器和单片机对回波信号处理和检测即可得到收发传输时间，并根据当前温度下的理论声速反推最终得到测量距离，但受限于软硬件架构，最终得到的测量距离仍有一定的测量误差，通常为测量距离的4%，如测量距离为2米，其误差已达8mm。虽然通过多次测量求平均机制可以在一定程度上减少该误差，但在一些特殊高精度领域中仍不能满足要求。

2、探头体积大，难以小型化

为了达到较窄的波束宽度和较高的灵敏度，换能器的尺寸不宜过小，且在同样的波束宽度指标下，工作频率越低，换能器体积就越大，典型的收发一体式20~40KHz超声波换能器直径通常在40mm左右，高度也普遍在80mm以上，这种换能器尺寸在一些狭小空间场合的非接触式测量领域中是难以接收的。

发明内容

针对前述超声波测距仪存在的问题，本发明专利提出了一种收发一体式超声波精密测距仪及其测距方法。

本发明的技术方案具体为：

一种收发一体式超声波精密测距仪，包括测距仪电源子系统以及与其相连接的信号处理子系统、换能器驱动及收发隔离子系统和回波程控放大控制子系统；其中，测距仪电源子系统输入侧连接直流电源，输出端分别输出10V发射电至换能器驱动及收发隔离子系统、3.3V数字电至信号处理子系统、以及至少一路模拟电至回波程控放大子系统；信号处理子系统输出3.3V电平低压脉冲串至换能器驱动及收发隔离子系统，从而驱动控制电路工作，控制换能器处于发射状态，将高压脉冲能量通过换能器辐射出去；当信号处理子系统不输出低压脉冲串时，换能器处于接收状态，换能器驱动及收发隔离子系统输出换能器回波信号至回波程控放大控制子系统；回波程控放大控制子系统对换能器回波信号进行放大滤波，放大滤波后换能器回波信号输出至信号处理子系统，由信号处理子系统进行精密测距。