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超聲波傳感器:從模擬控制到數(shù)字控制

Robot Vision ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:李寧遠 ? 2021-09-17 08:00 ? 次閱讀
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說到超聲波傳感器,想必大家已經(jīng)耳熟能詳了。這種頻率高于20000赫茲的聲波方向性極好,幾乎沿直線傳播,而且穿透力強。已經(jīng)被廣泛應用在定位、探測、焊接等方向。超聲波傳感器控制發(fā)展到現(xiàn)在,已經(jīng)從集成控制向著更高頻率,更低能耗和全數(shù)字化的方向發(fā)展。
此前的專用模擬集成超聲波控制芯片大大簡化了控制線路。但是,也正是由于模擬集成超聲波控制芯片中阻容元件的存在,這也成為了模擬控制電路的固有缺陷,元件參數(shù)的精度和一致性等問題一直存在。
數(shù)字化控制興起后,在很大程度上消除了溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點,有利于參數(shù)的整定和變參數(shù)的調(diào)節(jié)。更重要的是減少了元器件的數(shù)目、大大簡化了系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu),對可靠性而言有了極大的提升。這樣就衍生出了今天的數(shù)字超聲波傳感器。

數(shù)字超聲波控制芯片

數(shù)字超聲波控制用高檔單片機就可以實現(xiàn)。在聲波發(fā)生器中單片機作為整個電路的主控芯片運行,配合D/A轉(zhuǎn)換器IGBT功率模塊來實現(xiàn)脈寬調(diào)制。單片機已經(jīng)基本完成了數(shù)字超聲波控制。美中不足的是對于高頻電路要求而言,單片機的處理速度還是會有些慢。MSP430系列,STM32系列都廣泛被應用于數(shù)字超聲波控制中。應對更高的需求,數(shù)字超聲波傳感器一般應用DSP或者FPGA
比較有代表性的數(shù)字超聲波傳感器主控芯片是TI的PGA460系列。這個高集成的系列配備了先進的DSP內(nèi)核。
(圖源:TI)
這個系列具有互補的低壓側(cè)驅(qū)動器對,可接收和調(diào)節(jié)反射回波信號,以實現(xiàn)可靠的物體檢測。這個功能通過一個包括低噪聲放大器以及反饋到ADC的可編程時間變化增益級的模擬前端 實現(xiàn)。
近場和遠場物體檢測的數(shù)字信號處理在 DSP 內(nèi)核中使用時間變化閾值完成,適用于最遠距離達11米的物體檢測記錄事件,覆蓋32到90dB的低噪聲接收。在不使用時,PGA460還可以進入超低靜態(tài)電流低功耗模式以降低功耗。

數(shù)字超聲波傳感器

倍加福數(shù)字超聲波UB系列

對于工控行業(yè)來說,用量最大應該就是倍加福的UB數(shù)字系列了。
(圖源:倍加福官網(wǎng))
從成型產(chǎn)品更容易看出數(shù)字超聲波傳感器在穩(wěn)定性和可靠性上的優(yōu)勢。上圖是UB6000-30GM,感應范圍最遠覆蓋6米,死區(qū)僅在0 至350 mm。作為大范圍檢測傳感器,響應延遲也只有650ms左右。這在工控6米探測級別的應用中應該是很低的延遲了。
一般模擬控制下的超聲波頻率基本會保持在40K,58K左右,保證飛行衰減不會過大,UB這個系列做了65KHz,在做這么高頻率同時還極可能降低了聲波飛行衰減。

基恩士數(shù)字超聲波FW系列

(圖源:基恩士官網(wǎng))
基恩士的數(shù)字超聲波FW系列傳感器采用DSP在高穩(wěn)定性上一直表現(xiàn)不俗,尤其在液位探測領(lǐng)域。在該系列中,添加了A.W.S.新算法。A.W.S.是指即使因工件的差異、角度變化、臟污等,導致超聲波的接收狀態(tài)發(fā)生變化,也可消除波動,根據(jù)檢測情況進行合適處理的功能。在可靠性上對比傳統(tǒng)模擬控制超聲波傳感器有了很大的提升。
上圖中的三種型號覆蓋了從50mm*1到1000mm*1的檢測范圍。小范圍檢測的響應速度非???,在250ms到300ms之間。超聲波傳感器無可避免會有盲區(qū),F(xiàn)W系列盲區(qū)大概在2% F.S.。
標準型的溫度誤差控制在了±0.25% F.S./?C*2*3,H10R精確型的溫度誤差則做得更出色,僅為±0.06% F.S./?C*3。
不管是從A.W.S所提供的可靠診斷還是從溫度特性上盡可能做到穩(wěn)定來看,數(shù)字超聲波傳感器盡可能做到了高集成,高穩(wěn)定。

小結(jié)

從目前市面上數(shù)字超聲波傳感器來看,高檔單片機應用最廣,DSP更適合取樣速率較低,軟件更復雜的場合,而FPGA則更適合系統(tǒng)取樣速率需求高,條件操作少的應用。
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