CN116299485B - 一种高结构集成度的超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明属于超声波传感器技术领域，尤其涉及一种高结构集成度的超声波传感器。
背景技术
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。
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。
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。
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。
发明内容
本发明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。
本发明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-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-485电路相互通讯，隔离RS-485电路与外部通讯模块连通。
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。
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。
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。
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。
优选的，所述电源转换电路包括DC-DC降压芯片和***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。
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-485通信模块实现。
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。
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。
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。
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。
本发明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。
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：℃。
本发明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0.1A，对外485通信电路电流约为0.01A，综合计算，0.1+0.01*6+0.01=0.17A，即探测模块静默状态自身耗电功率为12V*0.17A≈2W；超声波雷达探头在工作状态下电流约为0.03A，雷达盒板内部电流约为0.2A，对外485通信电路电流约为0.01A，综合计算，0.2+0.03*6+0.01=0.39A，即探测模块静默状态自身耗电功率为12V*0.39A≈4.8W，探测模块自身耗电功率满足不大于10W的要求。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例示出的超声波传感器结构示意图；
图2为根据本发明优选实施例示出的超声波探头结构组成的剖视图；
图3为根据本发明优选实施例示出的超声波探头工作原理示意图；
图4为根据本发明优选实施例示出的雷达盒组成结构示意图；
图5为根据本发明优选实施例示出的雷达盒工作原理示意图；
图6为根据本发明优选实施例示出的电子设备一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本实施例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，其中超声波探头在本实施例中设置为6个完全相同的，均由换能器、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-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-485电路相互通讯，隔离RS-485电路与外部通讯模块连通。
参见图1-2，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，并配置超声波传感器专用芯片，实现0.4m-5m空间范围内的物体检测。超声波传感器专用芯片配合脉冲变压器产生超声波传感器所需的驱动电压，通常为150Vp-p@40KHz，通过调节调谐电容器和阻尼电阻器的大小，从而达到0.4m至5m的检测距离以及不大于0.2m的探测精度。
作为优选的实施方式，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。超声波探头前端设置有三角箭头标识，用于指示探头安装方向。安装时，将三角箭头标识指向垂直向上的方向，即可达到正确安装的情况。
作为优选的实施方式，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。
作为优选的实施方式，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120Ω的终端匹配电阻，用于后续总线组网。
参见图3为超声波探头工作原理图，其中电源转换电路用于将雷达盒经滤波电路后的12V供电转换成5V供后端通信板的485通信电路以及前端换能板使用。该电路使用DC-DC降压芯片，配合***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，可有效滤除高低频干扰。此外，滤波电路为非隔离，所以GND_O和VGND是共地的，从而达到对外的485通信共地的要求。
参见图4，为雷达盒组成结构图。作为优选的实施方式，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。本实施例中，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-485通信模块实现。
雷达盒最大尺寸为153±2mm×105±2mm×47±2mm（不含雷达盒供电连接器10和雷达探头连接器11）。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，处理后对雷达盒表面进行涂漆。
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。包括四个节点，信号分别定义为12V，GND，RS485_A和RS485_B，分别用于供电（12VDC）、数字地、RS485A端和RS485B端。
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。包括四个节点，信号分别定义为12V，GND，RS485_A和RS485_B，分别用于供电（12VDC）、数字地、RS485A端和RS485B端。
参见图5为雷达盒工作原理图。其中：
（1）雷达盒电源电路设计主要实现将12V外部供电进行滤波，将滤波后的12V供电一路通过隔离电源模块转换成隔离12V供雷达盒内部使用及探头使用；另一路转换成5V供雷达盒内部使用，电路设计主要考虑电源的稳定性、滤波特性、防短路、防电源的尖峰浪涌；
（2）抗干扰电路用于电源电磁抑制及保护，抗干扰电路一方面使用自恢复保险防止电源短路等情况下的过流对雷达盒板的破坏，自恢复保险可自恢复，以达到多次使用的效果；第二方面使用瞬态电压抑制管TVS防止尖峰浪涌对后续电路的破坏；第三方面使用滤波器和配套的电感和电容电路，实现对电磁干扰的抑制。
本发明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（本实施例为6个）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，同时若雷达盒通过RS-485通信接收到来自主机的指令后，会对其进行相应的回应操作；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。
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：℃。
本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，指令用于实现如实施例一的方法。
如图6所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与处理器301连接的存储器302，存储器302存储有多条指令，指令可被处理器加载并执行，以使处理器能够执行如实施例一传感器对应的测量方法。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
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；
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；
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-DC降压芯片和***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。
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-485通信模块实现。
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，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。
4.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，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。
5.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。
6.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，所述供电模块包括电源转换装置，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-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-485电路相互通讯，隔离RS-485电路与外部通讯模块连通。
7.一种基于权利要求1-6任一所述的高结构集成度的超声波传感器的障碍物测距方法，其特征在于，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)：
S＝(C×Δt) (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；
Δt为超声波信号从被发射到被接收的时间间隔，单位：s；
所述温度补偿的公式为式(2)：
其中：
T为摄氏温度，单位：℃。
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