超声波测距的传感器滞后如何解决？

只看该作者 · 2009-7-7 00:50

以前我搞过超声波测风速，但是发现一个问题：发射器在收到方波后，要过一段时间才能发出超声波，而接收器在收到声波后，也要过一段时间才能输出。就是说，发射器、接收器都有误差。我记得当时测到的滞后是毫秒级的，不容忽视！
而且，不同的发射器和接收器的滞后不同。我估计还会受老化、湿度等影响。
我没有深入研究，哪位大侠有经验？

只看该作者 · 2009-7-7 07:27

    如果不加任何措施，超声波发射器发送完成后不能立即停止振动，还要持续几个毫秒才能衰减停振。此时，在此期间如果打开接收器，将立即接收到信号，但是这个信号不是回波，而是发射器余波，所以导致距离计算错误。一般的作法是发射完毕后等几个毫秒再接收，这样就不会受余波干扰，但是盲距指标比较差，因为等了几个毫秒，所以几厘米的距离就无法测距了。

    增加余波消除电路后可以快速泻放余波振动能量，延时变得非常短，盲距可达到4mm。

《答：如何提高超声波模块的有效距离(大于30米，盲距4毫米)？》

答：如何提高超声波模块的有效距离(大于30米)？怎样制作超声波测距用的升压变压器？
2009-06-18,23:28:29

使用升压变压器就可以轻易达到30米的测量距离，但是变压器设计很复杂。
此电路使用5V驱动，振幅太小，能有几十厘米的距离，效果已经很不错了。

超声波测距用的升压变压器属于脉冲变压器，

    超声波测距仪使用变压器驱动换能器输出，测量距离可轻松达到30米。超声波驱动电路发出的信号一般为40KHZ方波，虽然频率不算太高，但因为方波边沿存在丰富的谐波分量，故不能忽略分布电感、分布电容，属于脉冲变压器类型。

    脉冲变压器也是变压器的一种，只不过脉冲波含有大量频率分量，不能忽略分布参数影响，绕制工艺要求高，一般也要先抽象出一个等效电路，再简化，然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值。与音频变压器不同的是，其约束条件参数不一样。脉冲波形参数约束条件有：峰值脉冲幅度、脉冲持续时间、脉冲上升时间、脉冲下降时间、顶降、脉冲顶峰、过冲、反摆、回摆、恢复时间。根据这些信息，就可以计算出功率，进而得到横截面积，线圈匝数，导线直径等等变压器绕制参数。这样我们就可以得到满足分布参数要求，满足脉冲波形参数约束条件要求，能够工作在变压器状态(不饱和)，能够正确传递脉冲能量(脉冲波形变化符合要求)的变压器了。

    除了满足正常工作的要求外，变压器设计还要满足：体积、重量、温度、成本等要求，所以，实际变压器的设计可不是一件容易的事情。书本上的理论分析全都是用的理想变压器，书上说变压器可以实现变压、阻抗匹配、隔离等等功能，但是隐含前提是变压器工作在变压器状态，如果饱和了，那就没有这些功能了。

    一个实际变压器还存在导线电阻、漏感、分布电容、分布电感、温升(铜损、铁损)等等问题，根据不同的变压器类型，有些参数不能忽略。

    超声波测距用的升压变压器主要目的是：

    1、阻抗变换。

输出功率和负载电阻的关系

        当负载电阻等于输出内阻的时候，负载将获得最大输出功率，升压变压器就是将压电陶瓷超声波换能器的高阻抗变换到低阻抗(与匝比的平方成反比，也就是说升压变压器副边的负载电阻变换到原边为原来的N方分之一)，匹配驱动电路输出内阻。从换能器角度看，升压变压器提高了输出电压，使得压电陶瓷振幅加大，增大了声波能量，能传播更远距离。有些电路使用非门推挽输出(压差10V)，或者使用RS232芯片驱动(压差30V)，都是为了增加振幅进而传送更远距离，只不过用升压变压器轻易就可以提升到500V，比其他方案强多了，但是并不是说振幅越大越好，太大了会导致压电陶瓷振碎，而且虽然负载电阻等于内阻时会获得最大输出功率，但并不意味着也会获得最大效率，此时效率只有50%，考虑到这些因素，升压变压器不能提升太高电压。这个就是 www.armecos.com《增值包---快快乐乐跟我学开关电源设计》里面谈到的折中问题。

    2、压电陶瓷超声波换能器属于容性负载，相当于一个负载电阻和一个电容并联，所以需要用电感感抗抵消电容容抗，形成纯阻状态，即谐振。变压器副边本身就是一个线圈，具有一定电感，只要设计其电感量能与负载电容谐振，就可以把全部输出功率辐射出去而不反射回驱动电路。

    当我们按照上面的要求设计出一个升压变压器，它的阻抗变换作用能获得比较理想的输出功率，能使换能器呈现纯阻特性，那么这个变压器设计就是成功的。

    很多网友变压器设计不成功的原因主要是：

    变压器饱和
    不满足高频特性(分布电容、分布电感)
    副边电感不谐振
    不满足脉冲变压器参数指标
    温升设计不合格(温度高)
    成本控制不好(用了太多铜、铁，体积大、重量重)
    ......

    其实通过专业培训就能设计出满足要求的变压器，主要是很多业余DIY人员没有受过专业训练，不知道如何设计变压器，故而一头雾水，一愁莫展。很多人不知道设计超声波测距仪硬件和设计电源本质上是一回事，都是换能器。比如：某个AC/DC电源模块把市电220V 50HZ的交流电转换成 5V 10A的直流电，完成电能变换功能；超声波收发器也是一种换能器，只不过它是在电能和机械能之间变换。设计超声波测换能器的关键在于学会电源设计，哈哈！现在明白了吧！

    一些网友认为使用网上公布的参考设计，用5V驱动就能测距3-5米，上当了吧！没学过电源设计就容易上当，现在学习了电源设计知识，很明显，5V驱动压电陶瓷超声波换能器产生不了太大的振幅，声波是不会传播很远的，几十厘米内就会完全衰减掉。用门电路只能达到10-30V电压，同样振幅不会大，传不了多远，当然肯定比5V驱动要远些。现在用升压变压器升到几百伏，振幅大多了，故而传的也就远了。明白了吧。

    有些网友使用其他类型的变压器，幻想能实现超声波升压变压器的功能，娃哈哈哈，这怎么可能呢！种类不一样是不能随便替换的，需要专门的设计才成。究其原因，可能是教科书上使用的都是理想变压器吧，以为所有实际变压器都没区别，哎，没有培训过当然不清楚了。

    变压器类型：

    电源(工频)变压器
    隔离变压器
    音频变压器
        输入变压器
        级间变压器
        输出变压器
        线间变压器
        匹配变压器
        调幅变压器
    脉冲变压器
    开关电源变压器
    特种变压器
        稳压变压器
        霓虹灯变压器
        微波炉变压器
        机场助行航灯光用变压器
        超隔离变压器
        传输线变压器
    铁芯电感器
        电源滤波扼流圈
        交流扼流圈
        电感线圈
        镇流器
        超声换能器用匹配电感
        铁氧体磁芯电感
    ......

    变压器种类繁多，每一种都有特定的设计方法，指标参数也不一样，可不能乱用哦。www.armecos.com《增值包---快快乐乐跟我学开关电源设计》里会介绍每一种变压器的设计步骤，每种又有若干设计思路，排列组合可能有上百种设计方法，心脏不好的还是绕行吧，觉得自己心理承受能力强的可以继续下面的深入研究。^_^

    制作变压器我们需要知道以下信息：
    1、磁芯规格(磁芯形状、磁芯大小、磁芯材料)
    2、匝数与导线规格(原副边匝数、导线直径)
    3、损耗与温升
    4、导线结构：多股线或扁平线
    5、绕组结构：多层或分段饶制
    6、端空设计：按绝缘电位设计端空

    磁芯规格其实就是要确定横截面积和工作点。一般功率决定横截面积大小，功率越大，横截面积越大。有经验公式可以快速根据功率确定横截面积，也可以直接查表。

    磁芯材料确定后，根据其特性曲线，我们要选择合适的工作点B0。B0太大会导致磁饱和，太小又会使得体积庞大、重量沉、功耗大、成本高。

    当电源频率、工作点B0、横截面积都确定后，就可以计算出每伏匝数，用输入电压除以每伏匝数就可以得到原边匝数。进而可以求得副边匝数。

    导线直径取决于电流密度，而电流密度又取决于电压调整率或温升，受二者共同约束，哪个约束条件算出来的J值小，就选择哪个J值。J值小肯定不会有温升/电压调整率问题，但也不是越小越好，J小的话，导线直径太粗，铜重量大、体积大、成本高，有时线包厚度可能超过铁芯窗口尺寸，根本无法绕制。

    电流密度J和温升有什么关系呢？很多初学者可能想到去查书，其实，变压器设计是一项实践性很强的工作，理论派这时已经玩不转了，此时需要大量实践经验。也有人可能会抱怨资料不足，这不是问题，没有资料可以做实验得到。就象没有DIP器件封装数据，你完全可以直接用尺子量出引脚间距来。不知道程序出错原因，完全可以通过调试找到。

    温升和铜损铁损有关，和散热条件有关，带散热片的温度就低，散热片上有风扇的温度更低，风扇转速快的肯定温度又要降低了。此外，还和外部环境温度有关，在南极零下50度，温升就不是问题，在赤道沙漠里，温升可能导致铁芯磁特性曲线飘移，进而磁饱和，失去变压器功能。总之决定温升的因素很复杂：管芯到封装的热阻、接触面积、接触面光滑度、导热硅脂、散热器材料体积、表面积、鳍形、涂层材料、颜色、空气密度、流速等共同决定温升。

    因此，电流密度J和温升的关系只能凭经验确定了。一般通过经验公式确定。所谓经验公式是指：通过一系列结果可重复的实验，得到数据曲线，使用数值分析方法多项式拟合，得到经验公式。此公式在我们的经验范围内正确，可以准确预测结果，可以重复验证。注意：经验公式存在局限性，如果预测结果不对，就需要再次修正经验公式，增加我们的经验。由此可知，经验越多，越不容易出错，想要设计好变压器需要积累大量经验。

    毕竟，变压器是一种商品，我们没有必要每次都从头设计，那样太浪费时间。此时，利用表格、EXECL电子表格、经验值可以大大加快设计速度。

    比如：可以规定电流密度J选2.5A/平方毫米，内绕组J适当降低，外绕组J适当提高，散热好的甚至可以达到10A/平方毫米，这样就不用详细计算了。

    ......

    www.armecos.com

4万 · 2009-7-7 22:07

通常超声波发生器都是共振腔输出的，推动信号加入后确实要过段时间才能达到最大输出，但延迟不应该是mS级的，一般最多二三十个信号周期而已，如40KHz时的信号周期是25微秒，达到最强输出时最多几百微秒而已。接收延迟则很小，几个信号周期而已，否则说明换能器设计或驱动/接收电路设计有问题。
另外，这里所谓的延迟只是最大输出的延迟，超声输出本身在第一个驱动信号周期后就已经输出了，只是未达最大峰值功率而已。