[发明专利]超音波感测装置与应用于其上的控制方法

说明书

技术领域

本发明为一种超音波感测装置与应用于其上的控制方法，尤指对于近距离的超音波感测，通过判断其鸣响振荡时间的改变与否，而作为某一运作功能的触发机制或控制机制的一种装置及其控制方法。

背景技术

超音波感测装置(Ultrasonic Transducer)是一种利用超音波的发射技术而被广泛应用的装置。在目前的应用中，超音波感测装置可为单一发射型，即通过发出特定频率的振动来产生出所需的超音波，但其本身并不具有接收的装置及功能；或亦可为同时包含有超音波发射与接收其反射的设计，也就是将其发射器与接收器皆设置于超音波感测装置之中，并且两者皆朝同一方向来进行超音波的发射和反射后的波形接收。举例来说，一般应用于距离的测量的超音波感测装置便为此类装置的设计。其原理是利用检测从发射出超音波至接收到由对应物体产生的反射波所经历的时间长短来进行其彼此间的距离计算，即取得其超音波的飞行时间(Time of Flight，简称TOF)。

在超音波感测装置内产生出超音波的发射器，于目前技术是设计为对一压电片施以一驱动电压后使其能以振动方式产生超音波。而目前常见的运作中，驱动电压可采用频率约40KHz的驱动信号来对压电片进行振动的驱动，而压电片可在驱动信号开始驱动时便产生出对应的超音波。但受限于振动上的机械特性，当驱动信号结束驱动时，压电片并无法立即地呈现出停止振动的静止状态，而是须于一定的时间内逐渐地从振动状态转成为静止状态。此一情况可称为信号的鸣响振荡(Ringing)现象。

在这段鸣响振荡时间(Ringing Time)内，虽然压电片的振动会逐渐衰减，但仍会呈现出对应的信号与波形。再者，由于超音波感测装置中的发射器和接收器为同一个元件，接收器在接收到反射波后，反射波也会使压电片振动而产生对应的信号与波形；因此，若超音波感测装置与待测物之间的距离较短时，例如在鸣响振荡时间内便接收到反射波时，则装置内的鸣响振荡现象所呈现出的波形或衰减信号便有可能会在处理接收到的反射波的信号上造成影响。

请参阅图1(a)，其为已知超音波感测装置进行测距运作的信号随时间呈现的示意图。图中左下的波形代表一驱动信号DS从启动至停止运作(时间t0)的示意；在驱动信号DS的运作下，装置内的压电片便对应地产生振动，而此振动具有如其上方波形所示的一振荡信号OS，并以此发射出超音波。由于鸣响振荡现象的因素，在驱动信号DS停止后其振荡信号OS并不会立即停止，而是逐渐衰减为一衰减信号RS。而其右边的一反射信号ES则代表超音波感测装置接收到超音波从物体或目标物上反射的反射波后所呈现的信号。

另外，为了避免噪声的影响而使超音波感测装置产生误判，在判断上可设定约1伏特振幅大小或其它默认值的一触发电平(Threshold Level)L。当反射信号大于触发电平L时，超音波感测装置会判断该信号为因有物体存在所产生的反射信号，并将接收到大于触发电平L的反射信号的时间点，如图1(a)中的t2，判定为接收到反射信号的时间，进而以从发射至接收的期间作为超音波的飞行时间，并算出实际距离。若接收到的反射信号小于触发电平L时，超音波感测装置会判断该信号为噪声而忽略。

在驱动信号DS停止到振荡信号OS衰减至触发电平L以下的这段期间，便为无法进行实际距离检测的鸣响振荡时间，意即超音波感测装置无法检测出反射信号的期间，此段期间称为死区(Dead Zone)Z_d。因此，当呈现出衰减的衰减信号RS的振幅小于触发电平L后，即在时间t 1之后，才可视为不会对反射信号ES造成影响接收的状态，意即在时间t1之后，超音波感测装置可正确地检测出反射信号ES。

然而，当待测距离较短时，超音波从发射至接收到反射波的时间历程便相对地较小，使得反射信号ES会和衰减信号RS靠得过近而造成干扰，甚至是反射信号ES会落在鸣响振荡时间内，而与衰减信号RS混合在一起。特别是，若设计上将超音波发射与反射波接收的功能由同一收发器(Transducer)或收发模块来完成时，所接收的反射信号ES和其衰减信号RS一旦混合之后便会无法将物体反射信号ES辨别出来。

在图1(b)中，其呈现已知超音波感测装置产生信号混合状态的示意图。在待测距离较短时，如该图所示，超音波感测装置在衰减信号RS的振幅小于触发电平L之前，即时间t1’之前，便接收到反射信号ES，意即接收到反射信号ES的时间t2’落在衰减信号RS达到小于触发电平L的时间t1，之前，因而形成所接收的反射信号ES和衰减信号RS产生混合或相互干扰的情形，使得在处理上无法清楚地分辨接收反射波的时间及其对应的波形。