[实用新型]基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统

说明书

本实用新型提供一种基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统，包括当激励信号源提供激励信号时，同时向激励电路和超声换能器传递函数提供激励信号；基于激励电路激励超声波换能器，以使超声波换能器发射超声波；基于超声换能器传递函数模块根据激励信号和传递函数生成模拟余振信号；当激励信号源停止提供激励信号时，基于反馈控制器根据模拟余振信号生成余振抑制信号，并将余振抑制信号输入所述激励电路，以供激励电路将所述余振抑制信号施加至超声换能器，直至超声换能器的余振信号减小到预设阈值。本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统利用传递函数实现对超声换能器余振的削弱，减少超声换能器近距离测距的盲区。

技术领域

本实用新型涉及超声换能器的技术领域，特别是涉及一种基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统。

背景技术

超声检测技术利用发射超声换能器发射超声波，在不同密度、声速的介质中发生反射、折射、透射等，随后通过接收超声换能器接收超声波，通过对接收到的信号分析即可获取目标信息。目前，该技术被广泛应用于非接触式检测、指纹识别、医疗成像等方面。相较雷达测距、激光测距、红外测距等测距方式，超声波检测技术符合现代非接触式检测、指纹识别和现代医学成像等应用场景精细化、阵列化、微型化及智能化等发展需求。

超声波测距主要通过超声波发射端发射超声波，接收端接收遇到物体反射回来的超声波，通过检测回波的幅值或者相位进而判断物体位置。现有技术中的超声换能器系统包括激励电路、超声换能器和接收电路。激励信号通过激励电路激励超声换能器发射超声波，超声波在遇到目标后被反射回超声换能器，接收电路接收并对超声换能器接收到的回波信号进行处理，产生距离信息。上述系统属于开环系统，结构简单，但是精度不高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感，因此实际使用过程中其效果往往不佳。

TOF(Time of Flight，飞行时间)模式是最常用的一种测距模式，通过测量超声波发射与接收之间的时间差，进而利用时间、声速和距离之间的关系计算出距离。由于TOF模式操作简单、系统要求低，在各种测距场合得到了广泛的应用。TOF测量技术所面临的一个共性问题是超声波换能器在近距离测量时存在工作盲区。超声换能器是一个典型的机电系统，其将电信号转换为振动信号再转换为声信号，或将声信号转换为振动信号再转换为电信号。同其他振动系统一样，在激励停止后，由于惯性，超声换能器并不能马上停止振动，而是以幅值逐渐衰减的自由振动的方式持续振动一段时间，直到残余能量消耗完毕，如图1所示，上述自由振动阶段一般被称为余振或者“拖尾”。若在超声波换能器余振幅值未衰减至一定阈值便接收到超声波回波信号，则超声波回波信号将受到超声波换能器的余振信号的影响，从而导致无法检测超声波回波信号或者影响TOF时间的判断。如图2(a)所示，若在超声波换能器余振幅值未衰减至比超声波回波信号最大幅值小便接收到超声波回波信号，则超声波回波信号将淹没于超声波换能器的余振信号之中，导致无法检测超声波回波信号。如图2(b)所示，若在超声波换能器余振幅值虽衰减至比超声波回波信号最大幅值小但是未衰减至不足以影响回波信号的阈值以下便接收到超声波回波信号，此时虽然能检测到回波信号，但是由于余振幅值未衰减至不足以影响回波信号的阈值以下，此时的回波信号实际为真实回波信号与余振信号的叠加，叠加的信号会发生畸变，从而影响后续TOF计算算法的鲁棒性，影响传感器对距离的判断。超声波换能器激发开始至余振幅值减小至不足以影响回波信号的阈值的时间称之为超声波换能器工作盲区。由于超声波换能器工作盲区的存在限制了超声波在近距离测距的测距范围。

现有技术中，超声换能器余振以及盲区的解决方案主要通过以下两个方面的改进：

一、超声换能器结构的改进

(1)隔离/隔振结构改进，如专利CN 203178487 U、CN 204422750 U、CN 110873873A、WO2019051921A1提出的方案，通过将超声换能器发射端和接收端隔离或者在发射端设置隔振结构，削弱发射端对接收端的影响。