[发明专利]基于相位检测的高精度超声波测距装置及方法

权利要求书

1.一种基于相位检测的高精度超声波测距装置，包括发送端超声波换能器和接收端超声换能器；其特征在于，所述装置还包括：

时序控制模块，用于产生高频的方波信号；

超声波幅值调制发生器，与所述时序控制模块连接，用于对所述高频的方波信号进行低频的幅值调制，产生以高频方波为载波的幅值调制信号；

超声波驱动电路，与所述超声波幅值调制发生器连接，用于对所述幅值调制信号进行功率放大，功率放大后的信号驱动发送端超声波换能器产生低频幅值调制的超声波；

超声波零相位参考信号电路，用于检测接收端超声换能器受发送端超声波换能器影响产生的零距离参考信号；

超声波信号放大及滤波电路，用于对接收端超声换能器产生的目标回波信号进行放大，并进行低通滤波；

回波相位检测电路，与所述超声波零相位参考信号电路和超声波信号放大及滤波电路连接，用于将低通滤波后的目标回波信号与相位差为零的参考信号之间的相位差转换为直流电压信号；

距离计算模块，与所述回波相位检测电路连接，用于根据所述直流电压信号计算目标的距离；

所述超声波零相位参考信号电路产生的零距离参考信号包括：

S_0°＝sin(2πf_mt)；

S_90°＝cos(2πf_mt)

其中，f_m为超声波信号的幅值调制频率，t为时间；S_0°是相位差为零的参考信号，S_90°是相位差为90°的参考信号；

所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号S_R

S_R＝Asin(2πf_mt-φ)；

其中A为幅值，φ为目标回波信号与所述相位差为零的参考信号之间的相位差；

所述回波相位检测电路包括：

第一信号乘法器，用于对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_0°进行乘法运算：

第一低通滤波器，用于对第一信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第一直流信号：

第二信号乘法器，用于对所述超声波信号放大及滤波电路处理后的目标回波信号S_R和相位差为90°的参考信号S_90°进行乘法运算：

第二低通滤波器，用于对第二信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第二直流信号：

所述距离计算模块通过以下步骤计算目标的距离：

1)计算目标回波信号与所述相位差为零的参考信号之间的相位差为：

其中，S_cos为第一直流信号的电压值，S_sin为第二直流信号的电压值；

2)根据相位差计算出目标的距离：

其中，c为声波的速度，D为目标的距离。

2.一种基于相位检测的高精度超声波测距方法，其特征在于，所述方法包括：

产生高频的方波信号；

对所述高频的方波信号进行低频的幅值调制，产生以高频方波为载波的幅值调制信号；

对所述幅值调制信号进行功率放大，功率放大后的信号驱动发送端超声波换能器产生低频幅值调制的超声波；

检测接收端超声换能器受发送端超声波换能器影响产生的零距离参考信号；

对接收端超声换能器产生的目标回波信号进行放大，并进行低通滤波；

将低通滤波后的目标回波信号与相位差为零的参考信号之间的相位差转换为直流电压信号；

根据所述直流电压信号计算目标的距离；

所述零距离参考信号包括相位差为零的参考信号S_0°和相位差为90°的参考信号S_90°：

S_0°＝sin(2πf_mt)；

S_90°＝cos(2πf_mt)

其中，f_m为超声波信号的幅值调制频率，t为时间；

经过信号放大及低通滤波处理后的目标回波信号S_R：

S_R＝Asin(2πf_mt-φ)；

其中A为幅值，φ为目标回波信号与所述相位差为零的参考信号之间的相位差；

所述将低通滤波后的目标回波信号与所述相位差为零的参考信号之间的相位差转换为直流电压信号，包括：

通过第一信号乘法器对目标回波信号S_R和相位差为零的参考信号S_0°进行乘法运算：

对第一信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第一直流信号：

通过第二信号乘法器对目标回波信号S_R和相位差为90°的参考信号S_90°进行乘法运算：

对第二信号乘法器处理后的信号进行低通处理得到第二直流信号：

所述根据所述直流电压信号计算目标的距离，包括：

1)计算目标回波信号与所述相位差为零的参考信号之间的相位差为：

其中，S_cos为第一直流信号的电压值，S_sin为第二直流信号的电压值；

2)根据相位差计算出目标的距离：

其中，c为声波的速度，D为目标的距离。