一种基于超声波的路面材质检测装置及制作方法

技术领域

本发明属于路面材质检测领域，尤其涉及一种基于超声波的路面材质检测装置及制作方法。

背景技术

车辆在行驶过程中会经过各种材质的路况，往往需要根据路况采取不同措施。例如，在经过铺装路面和泥泞路面时，需要驾驶员人为判断和操作来控制车辆的功率输出，防止车辆打滑的同时达到最优的效率。目前的汽车方案都是采用车辆检测到轮胎已经打滑后再进行紧急处理，比如说电子限滑、机械限滑，再由驾驶员手动切换驾驶模式。但本质上还是人为的判断路面材质，无法精准快速的确认路面材质，也无法精准的根据路面材质控制车辆功率输出。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于超声波的路面材质检测装置及制作方法，可以以毫秒级别的频率实现路面材质的检测，可以快速高效稳定的识别路面材质，从而使车辆自动识别路面材质情况，减小因人为识别的误差而导致的打滑、陷车概率，保证车辆和乘车人员安全。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于超声波的路面材质检测装置，包括：主控电路板和壳体，所述主控电路板位于所述壳体内部，所述主控电路板包括主控制器MCU、收发转换器、信号放大器和超声波换能器，所述主控电路板连接一供电模块，所述供电模块为所述主控电路板供电；所述主控制器MCU定时通过所述收发转换器切换发送状态和接收状态；所述主控制器MCU用于通过所述收发转换器向所述超声波换能器发送方波电信号，还用于通过所述信号放大器接收所述收发转换器的回馈电信号，所述主控制器MCU根据所述回馈电信号输出高低电平。

优选地，所述超声波换能器包括谐振子和压电陶瓷片，所述压电陶瓷片包括正极和负极，所述压电陶瓷片通过所述正极和负极连接一电极片，所述压电陶瓷片另一侧粘结有所述谐振子，所述电极片与所述主控电路板连接，所述主控电路板外接信号传输线。

更优选地，所述谐振子和压电陶瓷片外部设有保护壳，所述电极片、主控电路板和壳体之间填充有硬性保护胶，所述电极片和压电陶瓷片之间以及壳体和保护壳之间均填充有软性缓冲胶。

更优选地，所述压电陶瓷片频率范围为200kHz—500kHz。

优选地，所述主控电路板提供一根信号输出使能引脚。

优选地，所述主控制器MCU通过两个引脚连接所述收发转换器，所述收发转换器包括两个与非门芯片和两个电子开关，所述主控制器MCU通过两个引脚分别输出相位相反、频率相同的波形至所述与非门芯片，所述与非门芯片输出驱动脉冲波形至所述电子开关，所述电子开关分别对应所述收发转换器的发送状态和接收状态。

更优选地，信号放大器包括低噪声运算放大器、二级运算放大器、肖特二极管和测量电容，所述超声波换能器发出的超声波遇路面产生回声，所述回声经过所述超声波换能器产生回馈电信号，所述回馈电信号依次经过所述低噪声运算放大器、二级运算放大器和肖特二极管为所述测量电容充电，所述主控制器MCU用于采集所述测量电容两端电压并根据所述测量电容两端电压输出高低电平。

更优选地，主控制器MCU还连接开关电路，所述开关电路用于对所述测量电容放电；所述主控制器MCU用于在采集所述测量电容两端电压到状态结束后，输出高电平控制所述开关电路导通。

上述的一种基于超声波的路面材质检测装置的制作方法，包括以下步骤：

S1：将所述压电陶瓷片的正极和负极焊接到所述压电陶瓷片上；

S2：将所述压电陶瓷片粘到所述谐振子上；

S3：将所述压电陶瓷片及其正极、负极和谐振子装入所述保护壳内；

S4：向上一步骤中的保护壳内填充所述软性缓冲胶；

S5：将所述压电陶瓷片的正极和负极焊接到所述电极片上；

S6：向上一步骤的电极片与压电陶瓷片之间灌注所述硬性保护胶；

S7：将所述信号传输线焊接到所述主控电路板上；

S8：将所述电极片的正负极与所述主控电路板连接；

S9：将外壳套在所述主控电路板、谐振子、压电陶瓷片、保护壳和电极片上；

S10：向所述外壳与保护壳之间注入所述软性缓冲胶，向所述主控电路板与外壳之间注入所述硬性保护胶。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种基于超声波的路面材质检测装置及制作方法可以以毫秒级别的频率实现路面材质的检测，可以快速高效稳定的识别路面材质，从而使车辆自动识别路面材质情况，减小因人为识别的误差而导致的打滑、陷车概率，保证车辆和乘车人员安全。

2、本发明所述的一种基于超声波的路面材质检测装置及制作方法结构精简，安全稳定，且成本低廉，易于推广。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于超声波的路面材质检测装置结构示意图。

图2是本发明所述的一种基于超声波的路面材质检测装置原理示意图。

图3是实施例所述的一种基于超声波的路面材质检测装置电路原理图。

图4是图3的局部图。

图5是图3的局部图。

图6是图3的局部图。

图7是图3的局部图。

图8是图3的局部图。

其中，1、壳体；2、软性缓冲胶；3、保护壳；4、谐振子；5、压电陶瓷片，51、正极，52、负极；6、电极片；7、硬性保护胶；8、主控电路板；9、信号传输线；10、收发转换器；11、信号放大器；12、超声波换能器。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例

如图1和图2所示，一种基于超声波的路面材质检测装置，包括：主控电路板8和壳体1，主控电路板8位于壳体1内部，主控电路板8包括主控制器MCU、收发转换器10、信号放大器11和超声波换能器12，主控电路板8连接一供电模块，供电模块为主控电路板8供电。主控制器MCU定时通过收发转换器10切换发送状态和接收状态；主控制器MCU用于通过收发转换器10向超声波换能器12发送方波电信号，还用于通过信号放大器11接收收发转换器10的回馈电信号，主控制器MCU根据回馈电信号输出高低电平。现具体说明如下：

超声波换能器12包括谐振子4和压电陶瓷片5，压电陶瓷片5包括正极51和负极52，压电陶瓷片5通过正极51和负极52连接一电极片6，压电陶瓷片5另一侧粘结有谐振子4，电极片6与主控电路板8连接，主控电路板8外接信号传输线9，主控电路板8通过信号传输线9进行电路板的烧录以及输出高低电平至其他执行机构，使得主控制器MCU根据回馈电信号输出高低电平经过分析计算得出路面硬度，并将硬度提供给其他执行机构。

谐振子4和压电陶瓷片5外部设有保护壳3，电极片6、主控电路板8和壳体1之间填充有硬性保护胶7，电极片6和压电陶瓷片5之间以及壳体1和保护壳3之间均填充有软性缓冲胶2。

其中，压电陶瓷片5频率范围为200kHz—500kHz。主控电路板8还提供一根信号输出使能引脚，以达到低功耗环境使用。

结合图3至图8，本实施例中，主控制器MCU采用HC32L110C6UA，32MHz Cortex-M0+32位CPU平台,是一款旨在延长便携式测量系统的电池使用寿命的超低功耗、Low PinCount、宽电压工作范围的MCU。同时集成12位1M sps高精度SARADC，采用稳定4.2V的ADC基准电压。

主控制器MCU(即U6)通过两个引脚(即P34和P01)连接收发转换器10，收发转换器10包括两个与非门芯片(即U2和U3)和两个电子开关(即U3和U5)，主控制器MCU通过两个引脚分别输出相位相反、频率相同的波形至与非门芯片，与非门芯片输出驱动脉冲波形至电子开关，电子开关分别对应收发转换器10的发送状态和接收状态。收发转换器10处于发送状态时，电子开关驱动超声波换能器12(即USR1)，压电陶瓷片5已定频率向电极片6输入相同频率的方波电信号，方波电信号通过电极片6到达压电陶瓷片5，经过压电陶瓷片5转换与谐振子4向外发出高频超声波。超声波遇到路面后产生回声，回声引起谐振子4与压电陶瓷片5的振动，从而产生回声电信号，此时主控制器MCU控制电子开关切换到接收引脚，即收发转换器10处于接收状态，回声电信号通过电子开关的SI_P和SI_N输出回馈电信号。

信号放大器11包括低噪声运算放大器(即U7A)、二级运算放大器(即U7B)、肖特二极管(即D1)和测量电容(即C13)，回馈电信号经过低噪声运算放大器,针对输入的SI_P和SI_N进行负脉冲进行去除，保留正脉冲，并对信号放大33倍加载到1/2VCC直流电平上；再经过二级运算放大器，再次对信号放大33倍，并去除直流电平，放大后的信号经过防反串的肖特二极管对测量电容进行持续充电，测量电容充电达到放大信号的峰值电压，主控制器MCU采用12位高精度的ADC对此测量电容两端电压值进行采集，主控制器根据此采用到不同电压值进行运算分析识别出不同路面材质，主控制器MCU再根据参数标定值输出设定判定阀值输出高低电平，后级电路根据高低电平进行相应控制操作。

主控制器MCU还连接开关电路(即Q1)，开关电路用于对测量电容放电；主控制器MCU用于在采集测量电容两端电压到状态结束后，输出高电平控制P15来驱动开关电路导通，测量电容经过R6和Q1对地进行放电，保证要检测数据前的检测基准是低电平，达到数据准确性。

本实施例还提供了一种基于超声波的路面材质检测装置的制作方法，包括以下步骤：

S1：将压电陶瓷片5的正极51和负极52焊接到压电陶瓷片5上；

S2：将压电陶瓷片5粘到谐振子4上；

S3：将压电陶瓷片5及其正极51、负极52和谐振子4装入保护壳3内；

S4：向上一步骤中的保护壳3内填充软性缓冲胶2；

S5：将压电陶瓷片5的正极51和负极52焊接到电极片6上；

S6：向上一步骤的电极片6与压电陶瓷片5之间灌注硬性保护胶7；

S7：将信号传输线9焊接到主控电路板8上；

S8：将电极片6的正负极52与主控电路板8连接；

S9：将外壳套在主控电路板8、谐振子4、压电陶瓷片5、保护壳3和电极片6上；

S10：向外壳与保护壳3之间注入软性缓冲胶2，向主控电路板8与外壳之间注入硬性保护胶7。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。