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1、超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路及回液接收電路的設(shè)計(jì)
2、第1關(guān)鍵詞：超聲測距脈沖變壓器阻抗匹配推挽放大器隨著我國汽車工業(yè)和高速公路事業(yè)的飛速發(fā)展，研制、開發(fā)基于高性價(jià)比的超聲波測距技術(shù)的車輛防撞系統(tǒng)具有重要的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。車輛防撞系統(tǒng)具有自動(dòng)探測前方障礙物、自動(dòng)減速或剎車的功能，是未來高級(jí)小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等各大汽車公司都已投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪﹂_發(fā)在高級(jí)汽車上使用的防撞與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括毫米波雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS和高檔微機(jī)等。據(jù)海外媒體報(bào)道，戴姆勒—克萊斯勒公司日前成功開發(fā)出供商用車(尤指卡車)使用的電子剎車系統(tǒng)，它利用車載前視雷達(dá)
3、感應(yīng)器探測前方景物，由車載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來判斷當(dāng)前路況是否需要啟動(dòng)自動(dòng)剎車裝置。這種新型剎車系統(tǒng)在未來的兩、三年內(nèi)即可面市，預(yù)期價(jià)格為3745歐元[1]。顯然，就普通汽車而言，該自動(dòng)電子剎車裝置太昂貴。超聲測距傳感器價(jià)格低廉，其性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且使用方便。然而，常見的超聲測距儀的作用距離較短，一般均小于或等于10m，從而限制了它在汽車高速行駛時(shí)的使用性能。超聲測距儀的作用距離不僅僅依賴于高性能的超聲波探頭，而且與超聲波的發(fā)射與接收電路的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率有關(guān)。本文主要研究一種高效的超聲換能器收發(fā)電路
4、，以增大超聲測距儀的作用距離，使之能夠在未來的國產(chǎn)化汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)中得到應(yīng)用。1超聲測距原理諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵(lì)下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能(機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電能。最常用的超聲測距方法是回聲探測法。其工作原理是：使換能器向介質(zhì)發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測物體(目標(biāo))后必有反射回來的聲波(回波)作
5、用于換能器上。若已知介質(zhì)的聲速為c，第一個(gè)回波到達(dá)的時(shí)刻與發(fā)射脈沖時(shí)刻的時(shí)間差為t，那么即可按式s=ct／2計(jì)算換能器與目標(biāo)之間的距離，如圖1所示?？紤]到傳感器的成本與安裝的方便性，采用收發(fā)兼用型超聲波探頭，即實(shí)際距離d=s。聲波的速度c與溫度T有關(guān)[2]。如果環(huán)境溫度變化顯著,則必須考慮溫度補(bǔ)償問題?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為：2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)圖2所示的超聲頻驅(qū)動(dòng)電源用于激勵(lì)超聲換能器使之向外發(fā)送超聲波，超聲頻電源與超聲換能器儀器構(gòu)成超聲發(fā)生器。要使非線性失真不明顯，其功率最大，負(fù)載應(yīng)當(dāng)是固定不變的。因此變壓器的另一作用是進(jìn)行耦合，將實(shí)際負(fù)載RL'，變換成所期
6、望的值只RL，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。如圖3所示，AB和BQ分別代表了ID和(VDD-VDSS)，因此△ABQ的面積就代表了工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路輸出功率的大小?！鰽BQ的面積愈大，就表明輸出功率Po也愈大。IDm為流過功率管的最大電流，對(duì)應(yīng)于圖中負(fù)載線AQ，其功率三角形面積最大，非線性失真不明顯。所以，最大功率的負(fù)載電阻應(yīng)當(dāng)是RL=(VDD-VDSS)/IDm。場效應(yīng)管IRFl20采用電壓驅(qū)動(dòng)方式，與負(fù)載電流和安全工作區(qū)域無關(guān)，電路設(shè)計(jì)較為簡單；對(duì)于開關(guān)速度來說，它同雙極型器件相比可大幅度提高開關(guān)速度，溫度影響也小；而且它僅受管子功耗的限制，無二次擊穿的影響，因而在此代
7、替功率晶體管作功率放大器件。2．2變壓器的設(shè)計(jì)脈沖變壓器是超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路中最重要的器件，它的用途是升高脈沖電壓信號(hào)，并使功率放大器的輸出阻抗與換能器的負(fù)載阻抗匹配。一般脈沖變壓器以變壓器的功率、原副邊電壓信號(hào)的幅值確定變壓器的尺寸和變比[3]；而超聲換能器驅(qū)動(dòng)用變壓器則主要以功率和原副邊電感及阻抗匹配確定變壓器的尺寸和變比。2．2．1變壓器工作頻率及輸入電壓脈寬的確定脈沖變壓器的工作頻率取決于超聲換能器的工作頻率。在此選用fr=30kHz的換能器，其所對(duì)應(yīng)的諧振電路等效阻抗RL'=450Ω。則半個(gè)周期內(nèi)的電壓脈寬為：Ton=(DT/2)(D/2fr)(2)其中，
8、T為脈沖變壓器的工作周期。D是設(shè)計(jì)電路時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)主開關(guān)元件、輸出變壓器和變換器效率等都有很大的影響。在此選D=0．9，則有Ton＝15μs。2．2．2變壓器變比的確定及功率負(fù)荷的計(jì)算由前面推導(dǎo)可知RL＝(VDD-VDSS)／IDm時(shí)功放效率最大，取VDD=12V，考慮到車輛使用的蓄電池所能提供的最大電流有限，取IDm=5A，由功率管工作特性曲線可以查出VDSS=2V，得出RL＝(12-2)／5＝2Ω，所以變壓器變比為：變壓器的功率負(fù)荷為：式中，Pout為換能器的工作功率；η為變壓器的效率，可取η＝0．95；VAm為等效負(fù)載RL上的電壓幅度。將已知值代
