[发明专利]基于相位检测的高精度超声波测距装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于相位检测的高精度超声波测距模块装置及方法，所述装置包括：发送端超声波换能器和接收端超声换能器；时序控制模块，产生高频的方波信号；超声波幅值调制发生器，用于对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，用于对幅值调制信号进行功率放大，并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，用于产生零距离参考信号；超声波信号放大及滤波电路，用于对目标回波信号进行放大及低通滤波；回波相位检测电路，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，用于根据直流电压信号计算目标的距离。

技术领域

本发明涉及距离测量技术，尤其涉及一种基于相位检测的高精度超声波测距装置及方法。

背景技术

目前，非接触距离测量主要有基于光波、微波以及超声波三类。在这其中，超声波测距传感器是一种成本低、易于集成，对光线、电磁环境变化不敏感的非接触式测距装置。在机器人导航、机器人避障、汽车防撞、工业高度检测、医学成像等领域，超声波测距已得到了大量的应用。

现有的大部分超声波测距传感器都基于时差法测量，该种方法虽简单、易于实现，但存在精度低、易受噪声干扰、盲区大等问题。时差法的原理为：发射一定个数的超声波脉冲，检测发送时刻和超声回波触发时刻之间的时差，声波的传输速度一般是已知的，所以通过时差即可计算出距离。但是，回波触发时刻的准确性受到信号幅值、探头起振延迟的影响，进而降低了超声测距精度。此外，超声波测量盲区内的固有干扰信号以及环境中的噪声信号带来了盲区大和误检测的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决或优化现有技术中的至少一部分技术问题，提供了一种基于相位检测的高精度超声波测距装置及方法。

本发明第一方面，提供了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；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。

在根据本发明所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置中，优选地，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相位差为零的参考信号以及相位差为90°的参考信号。

在根据本发明所述的基于相位检测的高精度超声波测距装置中，优选地，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和相位差为零的参考信号进行乘法运算；

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和相位差为90°的参考信号进行乘法运算；