一种基于锁相技术的超声波测距装置

技术领域

本发明属于超声波测距领域，具体涉及一种基于锁相技术的超声波测距装置。

背景技术

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在超声波测距得到了广泛的应用。但是，超声波测测距的精度只能mm，目前，常用的测距产品晶振频率以及芯片定时精度一般在us级，再在加上使用现场环境温度因素影响，导致了目前精度mm级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的基于锁相技术的超声波测距装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于锁相技术的超声波测距装置，包括处理器、显示模块、键盘模块、超声波发射电路、超声波接收电路、高频振荡器、计数器、厚度方波电路和超声脉冲电源电路；

所述处理器采用32位高速微处理器，且在微处理器上连接16MHz温补晶振，其分别与显示模块、键盘模块、超声波发射电路、计数器、厚度方波电路和超声脉冲电源电路连接，所述超声波接收电路与厚度方波电路连接，所述高频振荡器与计数器连接，高频振荡器、计数器和厚度方波电路构成了同步计时模块；

所述超声波发射电路采用超声波锁相发射电路，所述超声波锁相发射电路包括超声波探头和发射驱动电路，所述发射驱动电路包括有施密特反向触发器构成的振荡电路和由两个MOS管构成的升压驱动电路，升压驱动电路与超声波探头连接；通过超声波探头发射的超声波脉冲到达被测物体并在被测物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过同步计时模块确定传播的时间来确定被测材料的厚度。

进一步地，所述处理器采用芯片STM32F412RET6。

进一步地，所述超声波探头采用频率为5MHz高灵敏度超声波探头。

进一步地，所述厚度方波电路采用芯片CD74HC221M及其外围电路构成。

进一步地，所述高频振荡器采用芯片74HC393D及其外围电路构成。

进一步地，所述计数器采用芯片SN74ACT00及其外围电路构成。

进一步地，所述超声脉冲电源电路包括LDO电路、升压电路和开关控制电路。

进一步地，所述LDO电路用于给处理器、显示模块、键盘模块、超声波接收电路、高频振荡器、计数器、厚度方波电路供电，其采用芯片ME6211及其外围电路构成。

进一步地，所述升压电路用于给超声波探头供电，其采用芯片ME2188及其外围电路构成。

进一步地，所述处理器内加载有用于计算厚度的多次回波算法。

本发明通过超声波探头发射的超声波脉冲到达被测物体并在物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

附图说明

图1为本发明的电气结构连接示意图。

图2为本发明LDO电路的电路图。

图3为本发明升压电路的电路图。

图4为本发明处理器的电路图。

图5为本发明超声波发射电路的电路图。

图6为本发明同步计时模块的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供的一种基于锁相技术的超声波测距装置包括处理器、显示模块、键盘模块、超声波发射模块、超声波接收模块、厚度方波电路、高频振荡器、计数器和超声脉冲电源电路。

所述超声波脉冲电路为整个装置提供工作电压，它包括LDO电路、升压电路和开关控制电路，所述LDO电路用于给处理器、显示模块、键盘模块、超声波接收模块、厚度方波电路、高频振荡器、计数器等进行供电，需要其工作稳定，本实施例采用高性能的芯片ME6211进行设计，其电路图如图2所示，芯片ME6211的输入端连接外接电源，本实施例的外接电源电压为5V，经过芯片ME6211将外接电源电压降压至3.3V工作电压输出，该电路具有电源纹波小，带负载能力强、电路结构稳定等特点。所述升压电路用于给超声波发射电路供电，主要为超声波发射电路中的超声波探头供电，超声波探头的工作电压110V，本实施例采用芯片ME2188进行设计，其电路图如图3所示，芯片ME2188前端采用两个MOS管采用电源驱动，用于对超声波探头驱动工作，并在MOS管上接入采用肖恩特二极管构成的保护电路，在驱动超声波探头前进行电压比较，该升压电路具有工作稳定性能优异的特点。

所述处理器采用32为高性能微处理器，本实施例具体采用ST的芯片STM32F412RET6，该芯片是一款性能十分优异的处理器，支持BAM的STM32动态效率MCU，带DSP和FPU的高性能ARM Cortex-M4 MCU，具有512KB Flash、100MHz CPU、ART加速器和DFSDM；这些性能都极大的保证了测量精度与响应速度，其电路图如图4所示，本实施例的处理器连接的晶振采用频率为16MHz的温补晶振，保证时基的稳定性，芯片定时精度ns级。同时，在处理器内写入多次回波算法对接收的超声波信号进行厚度计算，多次回波算法加长了测试距离提高了被测时差，可以有效减少误差。所述处理器通过串口连接显示模块和键盘模块，显示模块和键盘模块采用现有成熟的功能模块，本实施例未对其进行改进，不在赘述。

所述超声波发射模块采用采用超声波锁相发射电路，所述超声波锁相发射电路包括超声波探头和发射驱动电路，其电路图如图5所示，它包括有施密特反向触发器构成的振荡电路和由两个MOS管构成的升压驱动电路，升压驱动电路与超声波探头连接，振荡电路产生约250KHz的方波输出控制升压驱动电路，升压驱动电路驱动超声波探头工作，所述超声波探头采用频率为5MHz高灵敏度超声波探头，该超声波锁相发射电路保证了激振脉冲相位一致性，有效保证了时差准确性，经过多次的验证与参数优化使得系统工作稳定，性能优良。

所述高频振荡器、计数器、厚度方波电路组成的高性能硬件同步计时模块，通过高频振荡器产生固定频率的方波，通过计数器记录方波个数最后通过厚度方波电路输出超声波在被测物体中传输时间的电平，处理器通过对电平持续时间的计时得到被测物体的厚度。高频振荡器、计数器、厚度方波电路分别由芯片74HC393D、芯片SN74ACT00、芯片CD74HC221M组成，其电路图如图6所示，根据被测物体超声衰减特性，增幅或者减幅控制激振强弱从而有效控制控制发波功率，通过多次的仿真优化调试，使得该电路具有结构简单，工作稳定，性能指标优于的特点极大的保证了测量准确性。

本实施例通过超声波探头发射的超声波脉冲到达被测物体并在被测物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过同步计时模块确定传播的时间来确定被测材料的厚度。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。