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超声换能器驱动电路及回波接纳电路的规划
发布时间:2022-08-04 08:21:42 来源:乐鱼体育直播视频

  跟着我国轿车工业和高速公路作业的飞速发展,研发、开发根据高性价比的超声波测距技能的车辆防撞体系具有重要的社会与经济价值。

  车辆防撞体系具有自动勘探前方障碍物、自动减速或刹车的功用,是未来高级小轿车和载重车辆必备的安全行进辅佐设备。日本、美国和欧洲等各大轿车公司都已投入了恰当的人力、物力开发在高级轿车上运用的防撞与安全预警体系,包含毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高级微机等。据海外媒体报道,戴姆勒-克莱斯勒公司日前成功开宣布供商用车(尤指货车)运用的电子刹车体系,它运用车载前视雷达感应器勘探前方现象,由车载操控器处理这一感知信息而构成虚拟现象,由此来判别当时路况是否需求发动自动刹车设备。这种新式刹车体系在未来的两、三年内即可面市,预期价格为3745欧元[1]。明显,就一般轿车而言,该自动电子刹车设备太贵重。

  超声测距传感器价格低廉,其功用简直不受光线、粉尘、烟雾、电磁搅扰和有毒气体的影响,并且运用便利。但是,常见的超声测距仪的效果间隔较短,一般均小于或等于10m,然后约束了它在轿车高速行进时的运用功用。超声测距仪的效果间隔不仅仅依赖于高功用的超声波探头,并且与超声波的发射与接纳电路的机电能量转化功率有关。本文首要研讨一种高效的超声换能器收发电路,以增大超声测距仪的效果间隔,使之能够在未来的国产化轿车自动防撞体系中得到运用。

  谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波为直线传播办法,频率越高,绕射才能越弱,但反射才能越强。运用超声波的这种功用就可制成超声传感器,或称为超声换能器,它是一种既能够把电能转化为声能、又能够把声能转化为电能的器材或设备。换能器在电脉冲鼓励下可将电能转化为机械能,向外发送超声波;反之,当换能器处在接纳状况时,它可将声能(机械能)转化为电能。

  最常用的超声测距办法是回声勘探法。其作业原理是:使换能器向介质发射声脉冲,声波遇到被测物体(方针)后必有反射回来的声波(回波)效果于换能器上。若已知介质的声速为c,第一个回波抵达的时间与发射脉冲时间的时间差为t,那么即可按式s=ct/2核算换能器与方针之间的间隔,如图1所示。考虑到传感器的本钱与装置的便利性,选用收发兼用型超声波探头,即实践间隔d=s。

  声波的速度c与温度T有关[2]。假如环境温度改变明显,则有必要考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的联系可表示为:

  图2所示的超声频驱动电源用于鼓励超声换能器使之向外发送超声波,超声频电源与超声换能器仪器构成超声发生器。

  在此选用在超声波发生器上运用较多的乙类推挽扩大电路。其特点是无鼓励信号时,两个功率管IRF120的静态电流为零;而有鼓励信号时,两个功率管替换作业,各输出半波信号,合起来构成一个完好的波形。

  SN75732是双通道与非门TTL/MOS专用接口器材,其间,管脚2是两个与非门共用的使能输入端(高电平有用),管脚1/7、管脚3/6别离是两个与非门的输入/输出端;管脚4是数字地;管脚8接5V直流电源,管脚5接直流电源VDD。运用该接口电路就能够直接用TTL电平来驱动MOSFET功率管。只需恰中选取电阻R1就能够确认MOSFET功率管IRF120的栅源电压VGS,从而确认功率管导通时的漏极电流ID;R用于约束漏极电流ID的巨细,防止功率管导通瞬间发生过大的电流冲击。中选通讯号为低电平时,SN75732的两个与非门均输出低电平,功率管IRF120截止,发射电路不作业,而继电器J处于接通状况(与SIG1和SIG2触摸);中选通讯号为高电平时,超声频脉冲信号通过与非门HC00的逻辑改换后,使SN75732的两个与非门替换输出高电平,驱动两个功率管IRF120替换导通与截止(推挽扩大),通过脉冲变压器升压输出高振幅正弦波,换能器将取得的能量以声能方法辐射出去。此刻,继电器J处于常闭状况(换能器接入驱动电路的输出端)。

  要使非线性失真不明显,其功率最大,负载应当是固定不变的。因此变压器的另一效果是进行耦合,将实践负载RL改换成所希望的值RL,以完成阻抗匹配。如图3所示,AB和BQ别离代表了ID和(VDD-VDSS),因此△ABQ的面积就代表了作业在乙类的互补对称电路输出功率的巨细。△ABQ的面积愈大,就标明输出功率Po也愈大。IDm为流过功率管的最大电流,对应于图中负载线AQ,其功率三角形面积最大,非线性失真不明显。所以,最大功率的负载电阻应当是RL=(VDD-VDSS)/IDm。

  场效应管IRF120选用电压驱动办法,与负载电流和安全作业区域无关,电路规划较为简略;关于开关速度来说,它同双极型器材比较可大起伏进步开关速度,温度影响也小;并且它仅受管子功耗的约束,无二次击穿的影响,因此在此替代功率晶体管作功率扩大器材。

  脉冲变压器是超声换能器驱动电路中最重要的器材,它的用处是升高脉冲电压信号,并使功率扩大器的输出阻抗与换能器的负载阻抗匹配。一般脉冲变压器以变压器的功率、原副边电压信号的幅值确认变压器的尺度和变比[3];而超声换能器驱动用变压器则首要以功率和原副边电感及阻抗匹配确认变压器的尺度和变比。

  脉冲变压器的作业频率取决于超声换能器的作业频率。在此选用fr=30kHz的换能器,其所对应的谐振电路等效阻抗RL=450。则半个周期内的电压脉宽为:

  其间,T为脉冲变压器的作业周期。D是规划电路时的一个重要参数,它对主开关元件、输出变压器和改换器功率等都有很大的影响。在此选D=0.9,则有Ton=15s。

  由前面推导可知RL=(VDD-VDSS)/IDm时功放功率最大,取VDD=12V,考虑到车辆运用的蓄电池所能供给的最大电流有限,取IDm=5A,由功率管作业特性曲线,所以变压器变比为:

  式中,Pout为换能器的作业功率;为变压器的功率,可取=0.95;VAm为等效负载RL上的电压起伏。将已知值代入(4)式得Pout24W。

  铁心是脉冲变压器的重要组成部分。脉冲变压器的体积、质量等首要目标都由铁心来确认。常用的铁心资料有电工钢、软磁合金、软磁铁氧体、非晶态合金等。其间铁氧体铁心工艺性好,价格便宜,并且电阻率很高,保证在窄脉冲情况下能得到高的有用脉冲磁导率,要比冷轧电工钢高十倍以上。关于推挽式电路,铁心尺度的挑选可参阅下式:

  式中,S为磁芯的有用截面积;Q为铁心的窗口截面积,只要各绕组截面积之和小于铁心的窗口面积,才能使铁心窗口绕得下悉数绕组;Bm为铁心最大作业磁通密度,在此选取资料为3E25的铁心,由该资料的B-H特性曲线mT;KT为铁心的填充系数,关于铁氧体铁心来讲,KT=1;Ku为铁心窗口的运用系数,与绕组导线直径及绕制工艺水平有关,一般取0.1~0.5;J为导线答应的电流密度,一般取为3~5A/mm2。

  脉冲变压器的许多参数是相互影响的,所以在制造变压器时,要重复调试,以到达最佳的阻抗匹配和高的功率。变压器的输出(即超声换能器上所加的电压幅值)影响着体系的测距规模及精度,本体系中运用的变压器副边空载电压可达300V。

  因为此电路运用于轿车防撞体系中,一般车辆上只供给正电源,所以接纳电路的规划选用单电源。它由前置扩大电路、带通滤波电路和后级扩大电路组成。

  考虑到超声换能器的输出电阻比较大,因此前置扩大器有必要有足够大的输入阻抗。前置扩大电路是一个由精细、高输入阻抗外表扩大器AD623构成的差动扩大器。因为选用了收发同体传感器,因此收发信号之间会发生搅扰,较大的发送信号能量有或许直接进入接纳电路,它要比回波大得多,因此前级扩大器会饱满,电路作业不稳定。为此,接纳信号扩大器的输入端要接入一对互为反向的二极管进行箝位,以维护后边的扩大电路。

  在此选用无限增益多路反应型滤波电路,它是一个由赋以多路反应的理论上具有无限增益的运算扩大器构成的滤波电路。图4所示是由单一运算扩大器构成的无限增益多路反应二阶带通滤波电路的根本结构。

  无限增益多路反应型滤波电路因为没有正反应,故稳定性高。为核算便利,可先选定C1=C2=680pF,Ap=6,Q=3,由以上方程联立得:R3=47k,R1=47k,R2=2k。因为选用单电源供电,所以要在扩大器正极举高一个电平。在此用MC7805将电源电压转化成5V以供给偏置。滤波器的输出再通过一级扩大后接收集卡进行A/D采样。

  对前面规划的电路进行了超声测距试验。此试验运用NI公司的数据收集卡6024E收集数据。6024E是具有模仿、数字、时钟I/O口的高功用多功用板卡,选用的是PCI总线kHz,运用DAQ-STC计数器芯片。包含三个守时器组,操控着模仿输入、模仿输出和通用的计数/守时功用。用于通用计数/守时功用的是两个24位计数器[5]。运用时钟1宣布操控信号,时钟0发生30kHz的脉冲,作为驱动电路的输入信号。

  发射的脉冲数应挑选适宜,脉冲个数多时,发射换能器能够战胜其振荡惯量而取得充沛的振荡,其它声波形式影响较小,发射的超声脉冲能量大;但此刻测距的盲区也大(测距盲区指的是能够丈量的最小间隔),一般挑选由10~20个脉冲组成。

  5(a)是以往电路在6米处的丈量成果,幅值较小,丈量进程中曾呈现掉电现象,功率管发热严峻,这说明功率耗费比较大。5(b)是本电路的丈量成果。能够看出,本电路的丈量间隔明显进步,并且管子根本没有发热现象,电源保持稳定。可见,本电路的规划因为通过较严厉的推导,器材挑选合理,各参数得到优化,改进了换能器与功放间的阻抗匹配,功放功率和机电转化功率得到明显进步。电路操控便利,功用体现杰出,在间隔9.5m处仍能得到较明晰的回波,使大规模的超声测距成为或许。



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