CN207181685U - 一种超声波测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波测距装置，包括：测距电路板；超声波发射探头，与所述测距电路板电连接，且所述超声波发射探头与所述测距电路板之间设有用于吸收超声波横波的第一软硅胶垫；超声波接收探头，与所述测距电路板电连接，且所述超声波接收探头与所述测距电路板之间设有用于吸收超声波横波的第二软硅胶垫。本实用新型采用软硅胶垫和软硅胶套削弱了超声波横波的影响，提高了测距结果的精度；且利用温度传感器对超声波的传播速度进行温度补偿，进一步提高了测距结果的精度。

Description

一种超声波测距装置

技术领域

本实用新型涉及超声波测量领域，尤指一种超声波测距装置。

背景技术

超声波是一种频率大于20kHz的声波，具有直线传播的能力，频率越高，绕射能力越差，但反射能力越强，其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离比较远。

超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：横波、纵波和表面波。横波为质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波为质点振动方向与传播方向一致的波；表面波为质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。

超声波横波对超声波测距装置而言是一种干扰信号，会影响到反射回波的检测，从而对时间的计算带来干扰，影响超声测距装置的测量结果。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种超声波测距装置，能够削减超声波横波的干扰，提高测距精度。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种超声波测距装置，包括：测距电路板；超声波发射探头，与所述测距电路板电连接，且所述超声波发射探头与所述测距电路板之间设有用于吸收超声波横波的第一软硅胶垫；超声波接收探头，与所述测距电路板电连接，且所述超声波接收探头与所述测距电路板之间设有用于吸收超声波横波的第二软硅胶垫。

在上述技术方案中，通过在超声波探头与测距电路板之间设置软硅胶垫来吸收超声波探头其中一面的超声波横波，以提高测距结果的精度。

进一步，还包括：用于吸收超声波横波的第一软硅胶套，所述第一软硅胶套套设于所述超声波发射探头的外部；用于吸收超声波横波的第二软硅胶套，所述第二软硅胶套套设于所述超声波接收探头的外部。

在上述技术方案中，同时设置的软硅胶套和软硅胶垫可以吸收超声波探头上多面的超声波横波，降低超声波横波对回波的影响，进一步提高测距精度。

进一步，所述测距电路板上设有：控制电路；用于对所述控制电路发射的方波进行功率放大的功率放大电路，所述功率放大电路与所述控制电路电连接，且所述功率放大电路与所述超声波发射探头电连接。

在上述技术方案中，控制电路和功率放大电路的设置保证了测距结果的计算，以及，超声波信号的发出。

进一步，所述测距电路板还设有：用于将所述超声波接收探头发送的电信号进行去噪、滤波的滤波放大电路，所述滤波放大电路与所述超声波接收探头电连接；用于将去噪、放大后的电信号与基准信号进行比较的信号比较电路，所述信号比较电路与所述滤波放大电路电连接，且所述信号比较电路与所述控制电路电连接。

在上述技术方案中，采用基准信号来与去噪、放大后的电信号进行比较，从而确认是否接收到反射回波信号，方便、快捷。

进一步，所述测距电路板上还设有：用于测量介质温度的温度传感器，与所述控制电路电连接。

在上述技术方案中，利用温度传感器对超声波的传播速度进行补偿，提高测距结果的精度。

进一步，所述控制电路为MCU。

进一步，所述功率放大电路为MAX232芯片。

进一步，所述滤波放大电路和所述信号比较电路采用TLV274芯片；所述滤波放大电路包括：所述TLV274芯片中的第一组运算放大器和第二组运算放大器；所述信号比较电路包括：所述TLV274芯片中的第三组运算放大器。

进一步，所述超声波发射探头和所述超声波接收探头为压电陶瓷式超声波探头。

与现有技术相比，本实用新型的超声波测距装置有益效果在于：

采用软硅胶垫和软硅胶套削弱了超声波横波的影响，提高了测距结果的精度；且利用温度传感器对超声波的传播速度进行温度补偿，进一步提高了测距结果的精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

图1是本实用新型超声波测距装置一个实施例的结构示意图；

图2是本实用新型超声波测距装置另一个实施例的结构示意图；

图3是本实用新型超声波测距装置一个实施例的工作时序图；

图4是本实用新型超声波测距装置一个实施例的部分电路图。

附图标号说明：

10.测距电路板，11.控制电路，12.功率放大电路，13.滤波放大电路，14.信号比较电路，15.温度传感器，20.超声波发射探头，21.第一软硅胶垫，22.第一软硅胶套，30.超声波接收探头，31.第二软硅胶垫，32.第二软硅胶套。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

在本实用新型的一个实施例中，如图1所示，一种超声波测距装置，包括：测距电路板10；超声波发射探头20，与所述测距电路板10电连接，且所述超声波发射探头20与所述测距电路板10之间设有用于吸收超声波横波的第一软硅胶垫21；超声波接收探头30，与所述测距电路板10电连接，且所述超声波接收探头30与所述测距电路板10之间设有用于吸收超声波横波的第二软硅胶垫31。

具体的，测距电路板上铺设有各种电路，测距电路板(上的某一电路)将电信号发送至超声波发射探头，超声波发射探头将电信号转换为超声波信号后向空气介质中传播；当超声波信号在空气介质传播的过程中遇到障碍物反射回来时，由超声波接收探头接收反射回来的超声波信号(反射回波信号)，并把此反射回波信号转化为电信号发送至测距电路板，由测距电路上相应的电路根据发送超声波信号到接收到反射回波信号的时间差(即超声波信号在介质中传播的时间)、预设的距离公式，求得超声波测距装置到障碍物的距离。

预设的距离公式为：S＝C*△t/2，C为超声波在介质中的传播速度，△t为超声波在介质中传播的时间，S为超声波测距装置到障碍物的距离。

超声波发射探头的一端具有两个第一信号管脚，第一软硅胶垫上设置有与所述第一信号管脚一一对应的第一通孔，超声波发射探头的第一信号管脚穿过第一通孔，与测距电路板电连接。

同理，超声波接收探头的一端具有两个第二信号管脚，第二软硅胶垫上设置有与所述第二信号管脚一一对应的第二通孔，超声波接收探头的第二信号管脚穿过第二通孔，与测距电路板电连接。

测距电路板与超声波(接收/发射)探头通过接触电性连接或者通过导线电性连接。其中，接触电性连接可以为超声波(接收/发射)探头的信号管脚与测距电路板上的焊盘通过焊接或直接接触电性连接。

超声波(接收/发射)探头与测距电路板之间设置的第一/二软硅胶垫，用来吸收超声波横波，以削弱超声波横波对测距结果的影响。优选地，超声波(接收/发射)探头为压电陶瓷式超声波探头，可以选用TCT40-16T/R压电陶瓷超声波探头(传感器)。

本实施例中，通过在超声波探头与测距电路板之间设置软硅胶垫来吸收超声波探头其中一面的超声波横波，以提高测距结果的精度。

优选地，还包括：用于吸收超声波横波的第一软硅胶套22，所述第一软硅胶套22套设于所述超声波发射探头20的外部；用于吸收超声波横波的第二软硅胶套32，所述第二软硅胶套32套设于所述超声波接收探头30的外部。

具体的，超声波发射探头的外部(即外侧面)上套设有第一软硅胶套，其可以吸收超声波发射探头外侧面的超声波横波；同理，超声波接收探头的外部(即外侧面)上套设有第二软硅胶套，其可以吸收超声波接收探头外侧面的超声波横波。

本实施例中，同时设置的软硅胶套和软硅胶垫可以吸收超声波探头上多面的超声波横波，降低超声波横波对回波的影响，从而提高测距精度。

优选地，所述第一软硅胶垫和所述第二软硅胶垫的硬度范围为HS30到HS35。第一软硅胶套和第二软硅胶套硬度范围为HS30到HS35。具体的，对软硅胶垫、软硅胶套的硬度作了一个限定，既能实现其吸收超声波横波，又能对超声波探头起到保护作用。优选地，第一软硅胶垫和所述第二软硅胶垫的硬度取HS34；第一软硅胶套和第二软硅胶套硬度取HS34。

在本发明的另一个实施例中，除与上述相同的之外，相同部分在此不作赘述，如图2所示，测距电路板10上设有：控制电路11；用于对所述控制电路11发射的方波进行功率放大的功率放大电路12，所述功率放大电路12与所述控制电路11电连接，且所述功率放大电路12与所述超声波发射探头20电连接。优选地，所述控制电路为MCU。

具体的，控制电路可以用来测量、计算得到发出超声波和接收到反射回波的间隔时间△t，然后根据S＝C*△t/2计算出超声波测距装置到障碍物的距离S(即测距结果)。

控制电路可以采用一个8位MCU(在使用时，需要连接常规的***电路，例如：上拉电阻、滤波电路等，其***电路的连接方式是现有技术，在此不作赘述)，例如：STC15W202S芯片，STC15W202S芯片价格低廉，内部资源丰富，尤其它是单指令周期MCU，比同类型同架构的其它型号MCU速度快12倍。进一步的，控制电路上还设有结果输出接口，控制电路上的结果输出接口直接由MCU的通用IO口组成，用来输出测距结果。当然，在满足本申请性能参数的情况下，可以根据使用场景的不同，以及工作量的承载信息的不同，可以适应性的更换为其他的芯片，包括51系列的单片机，PIC系列，以及ARM系列等。

控制电路中包括：方波发射子电路，其可以由MCU中的一部分模块完成。例如：通过软件编程方法由STC15W202S芯片产生频率为40kHz、占空比为50％、最高幅值为5VDC的8个方波信号，这样既能减小硬件成本又能提高超声波测距装置的可靠性。

功率放大电路是为了将方波发射子电路发射的方波进行功率放大，功率放大电路可以采用MAX232芯片实现，MAX232芯片内部有片载电荷泵，片载电荷泵具有升压能力、能够产生+10V电压。

在本发明的另一个实施例中，除与上述相同的之外，测距电路板10还设有：用于将所述超声波接收探头30发送的电信号进行去噪、滤波的滤波放大电路13，所述滤波放大电路13与所述超声波接收探头30电连接；用于将去噪、放大后的电信号与基准信号进行比较的信号比较电路14，所述信号比较电路14与所述滤波放大电路13电连接，且所述信号比较电路14与所述控制电路11电连接。

具体的，当发射出的超声波信号因碰到障碍物反射回来时，超声波接收探头会接收此反射回来的反射回波信号，并将此反射回波信号转化为对应的电信号，此电信号发送至滤波放大电路，对此电信号进行滤波并放大(即实现去噪)，再将去噪、放大后的电信号发送至信号比较电路，与基准信号进行比较，得到比较结果，将比较结果发送至控制电路(即MCU)。

优选地，滤波放大电路13和所述信号比较电路14采用TLV274芯片；所述滤波放大电路包括：所述TLV274芯片中的第一组运算放大器和第二组运算放大器；所述信号比较电路包括：所述TLV274芯片中的第三组运算放大器。

具体的，TLV274芯片在使用时，会连接有相应***阻容器件，以实现滤波放大、信号比较的功能。TLV274芯片中有四组运算放大器，其中第一组运算放大器、第二组运算放大器和阻容元器件组成滤波放大电路；第三组运算放大器配以相应的阻容元件和一个三极管组成信号比较电路，其连接关系请参照图4。

采用一个芯片同时实现滤波放大、信号比较功能，减小了硬件成本，降低了超声波测距装置的体积。在本发明的另一个实施例中，除与上述不同的之外，测距电路板上还设有：用于测量介质温度的温度传感器15，与所述控制电路11电连接。

具体的，在超声波测距中，主要检测纵波的发射和接收时间差来计算距离。由于超声波纵波是一种声波，其传播速度与气体种类、压力及温度有关。在空气中，超声波纵波的传播速度主要与空气的压力和温度有关，正常条件下由于大气压力变化很小，环境温度会对其传播速度产生较大的影响，从而影响测距结果。

考虑到超声波的传播速度受温度的影响较大，因此，本实施例中增加了一个温度传感器以实现温度的补偿。一般超声波都是中空气中传播，因此，此温度传感器大多数用来测量环境的空气温度。

温度传感器可以采用DS18B20温度传感器，DS18B20具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

当控制电路得到温度传感器测量的温度时，其可以通过公式：C＝331.4+0.607T(m/s)，其中，C为超声波的传播速度，T为温度传感器测量的温度，实现温度补偿，修正超声波的传播速度；

从而在根据公式：S＝C*△t/2，计算测距结果时，得到更精确的测距结果。

在本发明的另一个实施例中，一种超声波测距装置，如图1、2所示，包括：测距电路板10；超声波发射探头20，与所述测距电路板电连接，且所述超声波发射探头与所述测距电路板之间设有用于吸收超声波横波的第一软硅胶垫21；用于吸收超声波横波的第一软硅胶套22，所述第一软硅胶套套设于所述超声波发射探头的外部；超声波接收探头30，与所述测距电路板电连接，且所述超声波接收探头与所述测距电路板之间设有用于吸收超声波横波的第二软硅胶垫31；用于吸收超声波横波的第二软硅胶套，所述第二软硅胶套32套设于所述超声波接收探头的外部；

测距电路板上设有：

控制电路11(其可以采用一个MCU)；

用于对所述控制电路发射的方波进行功率放大的功率放大电路12，所述功率放大电路与所述控制电路电连接，且所述功率放大电路与所述超声波发射探头电连接；

用于将所述超声波接收探头发送的电信号进行去噪、滤波的滤波放大电路13，所述滤波放大电路与所述超声波接收探头电连接；

用于将去噪、放大后的电信号与基准信号进行比较的信号比较电路14，所述信号比较电路与所述滤波放大电路电连接，且所述信号比较电路与所述控制电路电连接；

用于测量介质温度的温度传感器15，与所述控制电路电连接。

具体的，本实施例的超声波测距装置的工作原理参考如下：

如图3所示，当控制电路接收到一个触发脉冲信号(例如：一个宽度大于10uS的触发脉冲信号)时，控制电路产生频率40kHz、占空比50％的8个方波信号，所述方波信号通过功率放大电路放大后直接作用于超声波发射探头，超声波发射探头将功率放大电路放大后的电信号转换为超声波向空气介质中传播。

此超声波在介质传播过程中，遇到障碍物反射回来；超声波接收探头收到反射回波信号，把反射回波信号(即反射回来的超声波信号)转化成电信号，此电信号传输至滤波放大电路进行处理，处理后的电信号与基准信号进行比较，把比较结果输出至控制电路作为判断是否收到反射回波信号的依据。一般基准信号设为0，当接收到反射回波信号时，其经过处理后的电信号必然大于0，因此，通过判断是否大于0的判断结果来确认是否收到反射回波信号，由此，计算得到时间差。

当发出超声波信号时，会有一个时间点t1，当确认收到反射回波信号时，也有一个时间点t2，控制电路计算两者之间的时间差t2-t1，即△t。因控制电路发出方波信号与超声波发射探头发出超声波之间的时间间隔极小，可以忽略；超声波接收探头接收到反射回波信号与信号比较电路确认收到反射回波信号之间的时间间隔极小，因此，也可以忽略。

温度传感器将其检测到的当前环境温度T发送给控制电路，控制电路根据上述公式和温度T，得到修正后的超声波的传播速度C；再根据修正后的超声波的传播速度C和△t，计算得到距离S，即测距结果。测距结果可以通过控制电路上的结果输出接口输出，即通过结果输出接口输出回响信号。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种超声波测距装置，其特征在于，包括：

测距电路板；

超声波发射探头，与所述测距电路板电连接，且所述超声波发射探头与所述测距电路板之间设有用于吸收超声波横波的第一软硅胶垫；

超声波接收探头，与所述测距电路板电连接，且所述超声波接收探头与所述测距电路板之间设有用于吸收超声波横波的第二软硅胶垫。

2.如权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，还包括：

用于吸收超声波横波的第一软硅胶套，所述第一软硅胶套套设于所述超声波发射探头的外部；

用于吸收超声波横波的第二软硅胶套，所述第二软硅胶套套设于所述超声波接收探头的外部。

3.如权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，所述测距电路板上设有：

控制电路；

用于对所述控制电路发射的方波进行功率放大的功率放大电路，所述功率放大电路与所述控制电路电连接，且所述功率放大电路与所述超声波发射探头电连接。

4.如权利要求3所述的超声波测距装置，其特征在于，所述测距电路板还设有：

用于将所述超声波接收探头发送的电信号进行去噪、滤波的滤波放大电路，所述滤波放大电路与所述超声波接收探头电连接；

用于将去噪、放大后的电信号与基准信号进行比较的信号比较电路，所述信号比较电路与所述滤波放大电路电连接，且所述信号比较电路与所述控制电路电连接。

5.如权利要求3所述的超声波测距装置，其特征在于，所述测距电路板上还设有：用于测量介质温度的温度传感器，与所述控制电路电连接。

6.如权利要求3所述的超声波测距装置，其特征在于，所述控制电路为MCU。

7.如权利要求3所述的超声波测距装置，其特征在于，所述功率放大电路为MAX232芯片。

8.如权利要求4所述的超声波测距装置，其特征在于，所述滤波放大电路和所述信号比较电路采用TLV274芯片；

所述滤波放大电路包括：所述TLV274芯片中的第一组运算放大器和第二组运算放大器；

所述信号比较电路包括：所述TLV274芯片中的第三组运算放大器。

9.如权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，所述超声波发射探头和所述超声波接收探头为压电陶瓷式超声波探头。