何 凱，谷立臣，王柯淵，寇雪芹

(西安建筑科技大學機械電子研究所，陜西西安 710055)

0 引言

超聲檢測技術作為一種非接觸式檢測手段，與紅外檢測技術、雷達檢測技術相比，具有成本低、可靠性高、能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點[1]，滿足塔機主動防碰撞預警信息獲取的需要。結合分析塔機回轉速度、轉動慣量以及控制系統(tǒng)和操作人員的反映能力，塔機防碰撞預警范圍在20～30 m內(nèi)有實際意義[2]，能保證塔機防碰撞系統(tǒng)至少有8～10 s的預警時間。

美國Airducer AR30超聲波檢測系統(tǒng)作用距離可達30 m，但價格十分昂貴，很難大范圍使用[3]。國防科技大學潘仲明根據(jù)壓電材料的物理特性，并應用聲學和電路匹配技術，研制了諧振頻率為24.5 kHz的大作用距離壓電圓盤式超聲波換能器[4]。2009年，國防科技大學祝琴等人采用了新型超聲換能器驅動電路和弱信號檢測方法，提升了超聲檢測量程[5]。

由于超聲換能器波束角大和超聲波在空氣中的強負指數(shù)衰減，超聲回波信號極其微弱、信噪比低[6-8]?，F(xiàn)有工業(yè)應用領域的超聲檢測距離較近(一般小于10 m)，不能滿足塔機主動防碰撞預警測量的需要[9]。因此，本文提出了基于振動模型的延時估計方法，研制了作用距離為33 m的遠距離超聲檢測裝置，解決了開展塔機主動式防碰撞技術研究的瓶頸問題。

1 遠距離超聲檢測系統(tǒng)架構

研制遠距離超聲波檢測系統(tǒng)，不僅要選擇低頻率、大輻射面積的高性能超聲換能器，而且要優(yōu)化超聲換能器激勵電路和信號調(diào)理電路設計，以提高超聲傳感器激勵功率和超聲回波信號信噪比[10]。

遠距離超聲檢測系統(tǒng)主要由超聲換能器、微控制器模塊、超聲信號激勵模塊、超聲信號調(diào)理模塊、溫度補償模塊、外圍功能模塊等組成。如圖1所示，超聲信號激勵模塊由升壓脈沖變壓器、控制電路組成。超聲信號調(diào)理模塊由帶通濾波電路、放大電路組成。外圍功能模塊主要包括電源電路、溫度補償、串口通信和最小系統(tǒng)。微控制器模塊主要實現(xiàn)時序控制、超聲激勵脈沖生成、脈沖參數(shù)控制、信號采集等功能。

圖1 遠距離超聲檢測系統(tǒng)架構圖

遠距離超聲檢測系統(tǒng)基本工作原理如下：ARM微控制器生成PWM超聲波脈沖序列，通過控制電路控制脈沖變壓器通斷從而激勵超聲換能器發(fā)射大功率超聲波。超聲脈沖遇到障礙物反射，經(jīng)由換能器接收并轉換為電信號，回波信號經(jīng)過濾波電路和對數(shù)放大電路調(diào)理，送入微控制器進行采集和儲存，微控制器采集溫度信號并修正聲速參數(shù)，再利用振動模型延時估計方法計算出超聲波飛行時間，從而獲取超聲換能器與障礙物之間的距離信息。

2 遠距離超聲檢測硬件電路

遠距離超聲波檢測系統(tǒng)選用STM32F4作為微控制器，使用DYA-25-20C單發(fā)單收超聲換能器和24 V電源供電；超聲換能器驅動電路使用脈沖變壓器提升驅動電壓，超聲信號調(diào)理模塊主要實現(xiàn)帶通濾波和對數(shù)放大功能。此外，電路使用MF58熱敏電阻器測量環(huán)境溫度，用于輔助修正聲速。

2.1 超聲換能器

超聲換能器是利用超聲波進行障礙物檢測的關

鍵部件。在研制遠距離空氣超聲波檢測系統(tǒng)時，既要考慮超聲波在空氣中的強烈衰減特性又要兼顧超聲換能器指向性問題[11]。因此，本文在選擇DYA-25-20C型氣介式壓電陶瓷防水型超聲換能器時，綜合考慮了超聲換能器的中心頻率、指向性、工作電壓、靈敏度等特性參數(shù)，其技術參數(shù)如表1所示。

表1 DYA-25-20C型超聲換能器技術參數(shù)

2.2 微控制器模塊

微控制器的選擇是超聲檢測系統(tǒng)方案設計中的重要環(huán)節(jié)。微控制器模塊不僅用來激勵超聲脈沖，而且要對脈沖頻率、脈沖個數(shù)、脈沖類型、脈沖電壓等參數(shù)進行控制。

STM32F407內(nèi)置了FPU單元具有很強的數(shù)字信號處理能力，具有3個采樣頻率為2.4 MHz的12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉換器[12]。依據(jù)“Nyquist采樣定理，在工程應用中一般取信號最高頻率的3～5倍以上[13]。超聲激勵信號頻率與超聲回波信號頻率均在25 kHz左右，因此，本文選用STM32F407芯片作為系統(tǒng)微控制器。

2.3 超聲信號激勵模塊

如圖2所示，該模塊以微控制器生成的PWM超聲波脈沖序列作為原始驅動信號，通過控制MOSFET管NTP18N06的通斷將原始信號放大為同頻率的峰峰值為800 V的高壓脈沖信號，再由16∶270的EE19型脈沖變壓器升壓并驅動超聲換能器。

圖2 超聲信號激勵模塊電路圖

二次側電路中，二極管D6、D7反向并聯(lián)實現(xiàn)超聲換能器單發(fā)單收功能。當換能器處于發(fā)射階段時，D6和D7在400 V電壓的作用下依次導通和截止，超聲換能器可正常發(fā)送超聲波；當換能器處于接收階段時，由于回波信號很微弱，幅值不能達到D6、D7的正向導通電壓，回波信號會直接接入信號處理模塊，驅動側電路被隔離開來。電阻R60與電容C78并聯(lián)用于吸收尖峰電壓，起到電壓防突變的作用，防止電壓超過超聲換能器的最高耐壓造成損壞。

2.4 超聲信號調(diào)理模塊

遠距離超聲檢測時，超聲換能器通過正壓電效應產(chǎn)生的電荷極少，回波幅值通常只有mV級[14]。此外，除障礙物反射的正?；夭ㄍ?，還伴有50 Hz工頻干擾、雜波、塔機現(xiàn)場環(huán)境噪聲等。超聲信號調(diào)理模塊主要抑制噪聲和干擾，提高超聲回波信噪比，主要由對數(shù)放大電路和帶通濾波電路組成，如圖3所示。本文設計了兩級多路負反饋二階有源帶通濾波器，計算參數(shù)為：fc=26.525 kHz，BW=13.2 kHz，對數(shù)放大電路則選用AD8310放大障礙物回波信號。

圖3 超聲信號調(diào)理模塊電路圖

2.5 溫度補償模塊

超聲波傳播速度受周圍環(huán)境溫度影響較大[15]，傳播速度與環(huán)境溫度之間的影響關系如式(1)所示。要精確測量與障礙物之間的距離，實時檢測周圍環(huán)境溫度是十分必要的。

(1)

本文使用的是MF58玻殼測溫型NTC熱敏電阻器，阻值允差1%，測溫范圍為-40～250 ℃。圖4為溫度補償模塊電路圖，MF58與高精度電阻R62串聯(lián)，微控制器采集MF58兩端電壓，根據(jù)分壓原理計算MF58當前電阻并轉換為溫度值。

圖4 溫度補償模塊電路圖

3 遠距離超聲振動模型延時估計方法

對于壓電陶瓷式換能器，其振動部件就是壓電陶瓷振子。當矩形波脈沖激勵超聲換能器時，通過逆壓電效應一定的電機轉換效率轉換為力信號，使得壓電陶瓷振子開始做受迫振動[16]。當激勵脈沖結束后，壓電陶瓷振子進行阻尼衰減振動。

接收超聲回波時，由于聲壓使得壓電陶瓷振子開始做受迫振動。振動部件以一定的機電轉換效率轉換為電信號。當?shù)竭_的超聲波信號結束后，壓電陶瓷振子進行阻尼衰減振動。

超聲波信號的上升沿特征主要由超聲換能器機械振動部件的阻尼特性決定。其振幅變化規(guī)律如式(2)所示：

(2)

式中：F0為超聲換能器機械振動部件的最大驅動力；ω0為固有頻率；m為等效質(zhì)量；β為阻尼因子。

根據(jù)DYA-25-20C型超聲換能器的參數(shù)測定，對10個矩形脈沖激勵下的超聲換能器振動波形進行仿真，如圖5所示。空氣及障礙物振幅衰減器的距離衰減指數(shù)為 -1.110 5，空氣溫度為16 ℃。

圖5 10個矩形波脈沖激勵時超聲回波仿真信號

由式(2)可以看出，振幅A隨著時間t以阻尼因子β為指數(shù)的規(guī)律變化。因此，振動模型延時估計法的基本思想是：根據(jù)統(tǒng)計理論，對超聲波的上升沿進行擬合；在確定是超聲回波信號后，由擬合曲線估計超聲回波的起始位置。

閾值法運算速度快的特點主要利用了超聲回波信號幅值與噪聲信號幅值的差異性?？紤]到實際應用需要，遠距離振動模型延時估計法結合了上述基本思想和閾值法，利用超聲換能器振動時域波形特征識別超聲回波信號，并由此估計超聲回波起始位置。該方法具體步驟如下：

(1)設定超聲回波的檢測閾值、檢測窗口長度，臨界判定系數(shù)R0；

(2)以逐點步進的方式檢測超聲回波時間序列，在窗口長度下，擬合當前窗內(nèi)時間序列，擬合公式為y(t)=A0(1/β-e-βt)；

(3)當擬合結果的判定系數(shù)R1大于R0時，確定障礙物存在，記錄當前窗口位置，以此判定系數(shù)R1對應的擬合公式估計超聲回波的起始位置；

(4)當擬合結果的判定系數(shù)R1小于R0時，進行步驟(2)。

4 試驗研究

為了測試本文研制的遠距離超聲波檢測系統(tǒng)的性能，在空曠地段測試其檢測量程、檢測精度等相關參數(shù)。障礙物尺寸為120.0 cm(寬)×84.5 cm(高)×2.2 cm(厚)，振動模型法閾值設定為0.09 V，檢測窗口長度為100，臨界判定系數(shù)R0為0.95，障礙物距離為33 m，超聲激勵信號和超聲回波信號如圖6所示。

圖6 平面鐵板距離33 m時超聲信號

表2給出了利用振動模型延時估計方法計算出的遠距離超聲檢測結果。試驗環(huán)境溫度為22 ℃，在檢測算法中，根據(jù)式(1)進行了速度修正，c=344.6 m/s。通過上述實驗說明，該系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)遠距離障礙物檢測。

表2 振動模型法遠距離檢測實驗結果 (閾值電壓：0.09 V；R0：0.90)

5 結論

研制高性能超聲波檢測系統(tǒng)仍然是當今空氣超聲檢測技術領域富有挑戰(zhàn)性的研究課題之一。超聲波檢測距離是實現(xiàn)塔機主動防碰撞的一個關鍵技術參數(shù)。經(jīng)過大量試驗驗證表明本文研制的遠距離超聲波檢測裝置電路實現(xiàn)簡單、工作穩(wěn)定可靠、檢測精度高。該系統(tǒng)可以檢測距離為33 m的障礙物，其性能指標超過了美國同類產(chǎn)品AR30，為塔機防碰撞系統(tǒng)的檢測技術提供了數(shù)據(jù)支持。