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超声波传感器：从模拟控制到数字控制

2021-09-17 08:00:00

说到超声波传感器，想必大家已经耳熟能详了。这种频率高于20000赫兹的声波方向性极好，几乎沿直线传播，而且穿透力强。已经被广泛应用在定位、探测、焊接等方向。超声波传感器控制发展到现在，已经从集成控制向着更高频率，更低能耗和全数字化的方向发展。此前的专用模拟集成超声波控制芯片大大简化了控制线路。但是，也正是由于模拟集成超声波控制芯片中阻容元件的存在，这也成为了模拟控制电路的固有缺陷，元件参数的精度和一致性等问题一直存在。数字化控制兴起后，在很大程度上消除了温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数的整定和变参数的调节。更重要的是减少了元器件的数目、大大简化了系统中的硬件结构，对可靠性而言有了极大的提升。这样就衍生出了今天的数字超声波传感器。

数字超声波控制芯片

数字超声波控制用高档单片机就可以实现。在声波发生器中单片机作为整个电路的主控芯片运行，配合D/A转换器和IGBT功率模块来实现脉宽调制。单片机已经基本完成了数字超声波控制。美中不足的是对于高频电路要求而言，单片机的处理速度还是会有些慢。MSP430系列，STM32系列都广泛被应用于数字超声波控制中。应对更高的需求，数字超声波传感器一般应用DSP或者FPGA。比较有代表性的数字超声波传感器主控芯片是TI的PGA460系列。这个高集成的系列配备了先进的DSP内核。

（图源：TI）这个系列具有互补的低压侧驱动器对，可接收和调节反射回波信号，以实现可靠的物体检测。这个功能通过一个包括低噪声放大器以及反馈到ADC的可编程时间变化增益级的模拟前端实现。近场和远场物体检测的数字信号处理在 DSP 内核中使用时间变化阈值完成，适用于最远距离达11米的物体检测记录事件，覆盖32到90dB的低噪声接收。在不使用时，PGA460还可以进入超低静态电流低功耗模式以降低功耗。

数字超声波传感器

倍加福数字超声波UB系列

对于工控行业来说，用量最大应该就是倍加福的UB数字系列了。

（图源：倍加福官网）从成型产品更容易看出数字超声波传感器在稳定性和可靠性上的优势。上图是UB6000-30GM，感应范围最远覆盖6米，死区仅在0 至350 mm。作为大范围检测传感器，响应延迟也只有650ms左右。这在工控6米探测级别的应用中应该是很低的延迟了。一般模拟控制下的超声波频率基本会保持在40K，58K左右，保证飞行衰减不会过大，UB这个系列做了65KHz，在做这么高频率同时还极可能降低了声波飞行衰减。

基恩士数字超声波FW系列

（图源：基恩士官网）基恩士的数字超声波FW系列传感器采用DSP在高稳定性上一直表现不俗，尤其在液位探测领域。在该系列中，添加了A.W.S.新算法。A.W.S.是指即使因工件的差异、角度变化、脏污等，导致超声波的接收状态发生变化，也可消除波动，根据检测情况进行合适处理的功能。在可靠性上对比传统模拟控制超声波传感器有了很大的提升。上图中的三种型号覆盖了从50mm*1到1000mm*1的检测范围。小范围检测的响应速度非常快，在250ms到300ms之间。超声波传感器无可避免会有盲区，FW系列盲区大概在2% F.S.。标准型的温度误差控制在了±0.25% F.S./˚C*2*3，H10R精确型的温度误差则做得更出色，仅为±0.06% F.S./˚C*3。不管是从A.W.S所提供的可靠诊断还是从温度特性上尽可能做到稳定来看，数字超声波传感器尽可能做到了高集成，高稳定。