基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统的制作方法

1.本实用新型涉及超声换能器的技术领域，特别是涉及一种基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统。


背景技术：

2.超声检测技术利用发射超声换能器发射超声波，在不同密度、声速的介质中发生反射、折射、透射等，随后通过接收超声换能器接收超声波，通过对接收到的信号分析即可获取目标信息。目前，该技术被广泛应用于非接触式检测、指纹识别、医疗成像等方面。相较雷达测距、激光测距、红外测距等测距方式，超声波检测技术符合现代非接触式检测、指纹识别和现代医学成像等应用场景精细化、阵列化、微型化及智能化等发展需求。
3.超声波测距主要通过超声波发射端发射超声波，接收端接收遇到物体反射回来的超声波，通过检测回波的幅值或者相位进而判断物体位置。现有技术中的超声换能器系统包括激励电路、超声换能器和接收电路。激励信号通过激励电路激励超声换能器发射超声波，超声波在遇到目标后被反射回超声换能器，接收电路接收并对超声换能器接收到的回波信号进行处理，产生距离信息。上述系统属于开环系统，结构简单，但是精度不高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感，因此实际使用过程中其效果往往不佳。
4.tof(time of flight，飞行时间)模式是最常用的一种测距模式，通过测量超声波发射与接收之间的时间差，进而利用时间、声速和距离之间的关系计算出距离。由于tof模式操作简单、系统要求低，在各种测距场合得到了广泛的应用。tof测量技术所面临的一个共性问题是超声波换能器在近距离测量时存在工作盲区。超声换能器是一个典型的机电系统，其将电信号转换为振动信号再转换为声信号，或将声信号转换为振动信号再转换为电信号。同其他振动系统一样，在激励停止后，由于惯性，超声换能器并不能马上停止振动，而是以幅值逐渐衰减的自由振动的方式持续振动一段时间，直到残余能量消耗完毕，如图1所示，上述自由振动阶段一般被称为余振或者“拖尾”。若在超声波换能器余振幅值未衰减至一定阈值便接收到超声波回波信号，则超声波回波信号将受到超声波换能器的余振信号的影响，从而导致无法检测超声波回波信号或者影响tof时间的判断。如图2(a)所示，若在超声波换能器余振幅值未衰减至比超声波回波信号最大幅值小便接收到超声波回波信号，则超声波回波信号将淹没于超声波换能器的余振信号之中，导致无法检测超声波回波信号。如图2(b)所示，若在超声波换能器余振幅值虽衰减至比超声波回波信号最大幅值小但是未衰减至不足以影响回波信号的阈值以下便接收到超声波回波信号，此时虽然能检测到回波信号，但是由于余振幅值未衰减至不足以影响回波信号的阈值以下，此时的回波信号实际为真实回波信号与余振信号的叠加，叠加的信号会发生畸变，从而影响后续tof计算算法的鲁棒性，影响传感器对距离的判断。超声波换能器激发开始至余振幅值减小至不足以影响回波信号的阈值的时间称之为超声波换能器工作盲区。由于超声波换能器工作盲区的存在限制了超声波在近距离测距的测距范围。
5.现有技术中，超声换能器余振以及盲区的解决方案主要通过以下两个方面的改
进：
6.一、超声换能器结构的改进
7.(1)隔离/隔振结构改进，如专利cn 203178487 u、cn 204422750 u、cn 110873873 a、wo2019051921a1提出的方案，通过将超声换能器发射端和接收端隔离或者在发射端设置隔振结构，削弱发射端对接收端的影响。
8.(2)吸收后向辐射声波，如专利cn 103691654 b提出的方案，将背衬层的反射面设置为斜率连续变化的碗状形状，后向辐射声波在背衬层中沿各个角度多次反射，以至于大部分消散或被吸收，从而有效抑制换能器向后辐射声波，减小换能器余振。
9.然而，结构方面的改进虽然可以起到一定的作用，但其并不能完全消除余振的影响，并且大大增加了结构的复杂程度。
10.二、超声换能器系统的改进
11.(1)调整激励信号强度，如专利cn 101173986 b、cn 102749108 b、cn 104180860 b、cn 104154961 b、cn 107390203 b提出的方案，激励电压越高产生的超声波能量越强，但是随着超声换能器振动变强，带来的余振将会越强。上述专利通过在远距离测距时使用强度较高的超声波，近距离测距时使用强度较低的超声波，用以解决由近距离处较强超声信号带来的干扰所形成大盲区的问题。但是减小了发射能量将导致发射的超声波强度减小，回波的能量也会随之减小，将导致传感器的信噪比降低。
12.(2)调整激励信号频率，如专利cn 108333590 a、cn 110850416 a、us2010036618a1所提出的方案，由于激励频率越接近超声换能器本征频率，超声换能器的振动越强，产生的超声波也会越强，但是余振同样也会越强。上述专利通过调节激励信号的频率，通过使用根据不同的距离使用不同频率的超声波进行测距的方法，降低了短距离测距中的盲区误差，提升了短距离测距的精度。但是未使用超声换能器本征频率激励同样会导致发射的超声波强度减小，从而降低传感器信噪比。
13.(3)调整发射信号组成，如专利cn 108519592 a提出的方案，通过在激励后对超声换能器施加若干和激励信号反相的信号来加快超声换能器上余振的衰减速度，从而减小超声测距中的盲区。但是反相脉冲数设置严重依赖经验以及环境，数目设置不当将会导致换能器在余振停止后，反相信号并未停止，反相信号激励换能器继续振动的情况。
14.(4)调整电路结构，如专利cn 102621552 b、cn 102749109 b所提出的方案，通过调整电路结构，用以避免驱动信号输入到后续的放大电路中可能引起的自激振荡或者实现余震能量的加速消耗。但是其增加了电路的复杂程度。
15.(5)后端信号处理，如专利cn 104823072 b、cn 105699975 b、cn 106483526 a、cn 108572365 a、us10031217b2所提出的方案，通过对接收到的信号进行处理，用以消除余振信号，提取回波信号。但是实际信号非常容易淹没在噪声以及余振信号中，上述方法增大了信号采集和信号处理的难度。
16.综上，超声换能器的余振是导致超声换能器盲区的主要原因，但是现有技术没有抑制超声换能器余振的解决方案，导致无法从根本上解决超声换能器的盲区问题。现有技术中的大部分方法是仅仅只是削弱余振的影响，但同时也带来了传感器信噪比减低、结构/电路复杂程度增加、信号处理难度增加等问题。


技术实现要素：

17.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统，利用传递函数实现对超声换能器余振的削弱，从而减少了超声换能器近距离测距的盲区。
18.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统，包括激励信号源、激励电路、超声换能器、接收电路、反馈控制器和超声换能器传递函数模块；所述激励信号源用于同时向所述激励电路和所述超声换能器传递函数提供激励信号；所述超声换能器传递函数模块用于获取所述超声换能器的传递函数，并根据接收到的激励信号和传递函数生成模拟余振信号；所述激励电路用于在所述激励信号输入时根据所述激励信号激励所述超声换能器；在余振抑制信号输入时根据所述余振抑制信号激励所述超声波换能器；所述超声换能器与所述激励电路相连，用于在所述激励电路的激励下发射信号；所述接收电路与所述超声换能器相连，用于接收所述超声换能器发送来的信号；所述反馈控制器与所述超声换能器传递函数模块和所述激励电路相连，用于在所述激励信号停止时，根据所述模拟余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路，以供所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，直至所述超声换能器的余振信号减小到预设阈值。
19.于本实用新型一实施例中，所述反馈控制器采用比例控制器、比例
‑
微分控制器、比例
‑
积分控制器或比例
‑
积分
‑
微分控制器。
20.于本实用新型一实施例中，所述激励信号为正弦信号、余弦信号或方波信号。
21.于本实用新型一实施例中，所述模拟余振信号为振动电压信号、振动位移信号、振动速度信号或振动加速度信号。
22.于本实用新型一实施例中，还包括开关模块，所述开关模块在所述激励信号输入时，将所述激励信号源和所述激励电路连通，在所述激励信号停止时将所述反馈控制器和所述激励电路连通。
23.如上所述，本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统，具有以下有益效果：
24.(1)基于传递函数构建了减小超声换能器余振和盲区的反馈抑制系统，在激励信号激励超声换能器的同时驱动传递函数，从而获取可以反映超声换能器余振的模拟余振信号；模拟余振信号通过反馈控制器生成余振抑制信号，从而可以抑制超声换能器的余振，使超声换能器的振动快速衰减至阈值以下；
25.(2)与现有技术中的超声换能器系统相比，基于传递函数的反馈抑制方法利用传递函数构成了闭环系统，对输入信号变化不敏感，具有较强的抗干扰能力；同时，相较于直接利用超声换能器输出信号进行反馈抑制的系统，对硬件要求低，更容易工业上的推广应用；
26.(3)通过自校准的方式获取超声换能器的传递函数，即在初始化阶段对超声换能器施加若干不同类型的激励信号，获取激励阶段及余振阶段超声换能器的响应信号，利用内置的系统辨识算法对激励信号和反馈信号进行辨识获取超声换能器传递函数；该方法相较于利用超声换能器测试结果进行辨识，考虑到了环境对超声换能器的影响，提高了辨识获得的传递函数的准确度，从而提高了反馈控制的精度；
27.(4)能够在激励信号停止后快速衰减超声换能器的余振，且余振抑制信号不会在余振停止后再次激励超声换能器振动，解决了由于超声换能器余振带来的近距离测距盲区的问题；这是因为采用超声换能器本身的模拟余振信号作为反馈输入，由于模拟余振信号本身就是逐渐衰减的信号，从而反馈控制器根据此余振信号生成的余振抑制信号也是逐渐衰减的信号，因此余振抑制信号总会使超声换能器的余振逐渐衰减，不会产生余振已经停止但是抑制信号并未停止，从而导致的超声换能器被抑制信号重新激励的问题。
附图说明
28.图1显示为超声换能器激励阶段的波形于一实施例中的波形示意图；
29.图2(a)显示为回波信号被余振信号淹没于一实施例中的波形示意图；
30.图2(b)显示为回波信号因余振信号畸变于一实施例中的波形示意图；
31.图3显示为本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统于一实施例中的结构示意图；
32.图4本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的方法于一实施例中的流程图；
33.图5(a)显示为基于现有技术的开环超声换能器系统发射的超声波信号于一实施例中的示意图；
34.图5(b)显示为基于本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统发射的超声波信号于一实施例中的示意图。
35.图6(a)显示为基于现有技术的开环超声换能器系统接收到的回波信号于一实施例中的示意图；
36.图6(b)显示为基于本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统接收到的回波信号于一实施例中的示意图。
37.元件标号说明
[0038]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激励信号源
[0039]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激励电路
[0040]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
超声换能器
[0041]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收电路
[0042]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反馈控制器
[0043]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
超声换能器传递函数模块
[0044]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
开关模块
具体实施方式
[0045]
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0046]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本
构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0047]
本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统通过构建一个闭环的反馈控制系统，在激励信号激励超声换能器的同时驱动传递函数，获取可以反映超声换能器余振的模拟余振信号；所述模拟余振信号通过反馈控制器生成余振抑制信号，所述余振抑制信号可以使超声换能器产生与余振阶段运动相反的加速度，从而抑制超声换能器的余振，使超声换能器的振动快速衰减至阈值以下，极具实用性。
[0048]
如图3所示，于一实施例中，本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统包括激励信号源1、激励电路2、超声换能器3、接收电路4、反馈控制器5和超声换能器传递函数模块6。
[0049]
所述激励信号源1用于同时向所述激励电路和所述超声换能器传递函数提供激励信号。于本实用新型一实施例中，所述激励信号采用正弦信号、余弦信号或方波信号，故所述激励信号源可为由正弦发生器、余弦发生器或方波发生器。
[0050]
所述超声换能器传递函数模块6用于获取所述超声换能器3的传递函数，并根据接收到的激励信号和传递函数生成模拟余振信号。
[0051]
具体地，超声换能器传递函数可以反映超声换能器在激励停止后的余振阶段的运动情况。故在本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统运行的初始化阶段，首先需要获取所述超声换能器3的传递函数。在本实用新型中，通过以下两种方式获取所述传递函数：
[0052]
(1)自校准方式
[0053]
对所述超声换能器3施加不同类型的激励信号，获取所述超声换能器3在激励阶段和余振阶段的响应信号；基于预设辨识算法对所述激励信号和所述响应信号进行辨识，获取所述超声换能器传递函数。
[0054]
(2)测试方式
[0055]
获得所述超声换能器3在不同输入信号下的超声换能器位移、速度、加速度，通过对所述输入信号及所述超声换能器位移、速度、加速度进行辨识，获取所述超声换能器传递函数。
[0056]
所述激励信号输入所述超声换能器3之后，经由所述传递函数即可生成模拟余振信号。所述模拟余振信号反映超声换能器在激励停止后的余振阶段的运动情况，能够用于后续的余振抑制处理。
[0057]
所述激励电路2用于在所述激励信号输入时根据所述激励信号激励所述超声换能器；在余振抑制信号输入时根据所述余振抑制信号激励所述超声波换能器。具体地，所述激励电路2在接收到激励信号时，能够驱动所述超声换能器3进行超声波的发射；在接收到所述余振抑制信号时，能够将所述余振抑制信号施加在所述超声换能器3上抑制所述超声换能器3的余振。
[0058]
所述超声换能器3与所述激励电路2相连，用于在所述激励电路2的激励下发射信号。
[0059]
所述接收电路4与所述超声换能器3相连，用于接收所述超声换能器发送来的信
号。
[0060]
具体地，所述超声换能器3停止超声波发射时，接收电路4能够接收所述超声换能器3的余振信号。同时，接收电路4还能够接收和处理所述超声波换能器3接收的回波信号。
[0061]
所述反馈控制器5与所述超声换能器传递函数模块6和所述激励电路2相连，用于在所述激励信号停止时，根据所述模拟余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路，以供所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，直至所述超声换能器的余振信号减小到预设阈值。
[0062]
具体地，在所述激励信号停止时，所述反馈控制器5根据所述模拟余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路2，所述激励电路2再将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器3。由于所述余振抑制信号可以使所述超声换能器3产生与余振阶段运动相反的加速度，故能够抑制所述超声换能器3的余振。一直进行反馈调节，直至所述超声换能器3的余振信号减小到预设阈值，即所述余振信号幅值减小至不足以影响回波信号的阈值以下。
[0063]
超声换能器是一个典型的机电系统，以压电微机械超声换能(pmut，piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer)为例，pmut可以等效为质量
‑
弹簧
‑
阻尼系统，同时考虑其压电效应，其动力学方程为：
[0064][0065]
其中，m为等效质量，b
m
为阻尼系数，k为弹簧系数，w
b
(t)为系统内由于逆压电效应产生的变形量(部件间的相对位移量)，w(t)为系统向外界输出的位移量；压电单元与驱动电路相连，其两端电压设为v(t)，与负载r并联连接，θ
bc
v(t)为电压v(t)所产生的压电耦合力，θ
bc
称为后向耦合常数。
[0066]
pmut一般工作于弯曲模态，主要使用了压电材料的d
31
模式，对应e型压电方程，其表达式为：
[0067]
σ1＝y
p
δ1‑
d
31
y
p
e3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0068][0069]
其中σ1为机械应力，δ1为机械应变，y
p
为压电材料的杨氏模量，e3为电场强度，d3为电位移(电荷密度)，ε
33s
为机械夹持条件下压电材料的介电常数，e
31
和d
31
分别为压电应力、应变常数，且e
31
＝d
31
y
p
。当压电悬臂梁弯曲变形时，压电材料应力表达式(2)包括两部分力，一个是等效模型中作用于质量块的弹簧回复力，另一个是电场反过来产生的后向耦合力。
[0070]
其中，后向耦合力产生的应力σ
bc
＝
‑
d
31
y
p
e3,，它所对应的耦合力设为：
[0071][0072]
其中，κ
a
表示后向耦合应力与耦合力间的关系常数，v表示器件输出电压，t
p
为压电层厚度。因此，后向耦合常数θ
bc
可表达为
[0073]
由(3)且q＝d3a
pe
，可得
[0074]
其中，q为器件采集的电荷，a
pe
表示压电层的有效面积，即电极层覆盖面积。上式两
边对时间t微分。由于dq/dt＝i(t)，可得
[0075]
上式中电流i(t)可以用v(t)/r表示。又设κ
b
为位移与应变的关系常数，即δ1＝κ
b
w
b
(t)。代入式(6)可得其中为压电层电极间有效的电容量；θ
fc
为前向耦合常数，其表达式为θ
fc
＝d
31
y
p
a
pe
κ
b
。
[0076]
微分方程式(1)和(7)表示了pmut的动力学方程，分别对(1)和(7)进行拉普拉斯变换可得
[0077]
w(s)(ms2 b
m
s k) θ
bc
v(s)＝
‑
w
b
(s)ms2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0078][0079]
整理可得位移和电压在拉式域的关系为从而位移和电压的传递函数可以表示为
[0080]
从式(11)可以看出，激励电压到pmut位移的传递函数是一个具有2个零点和2个极点的二阶系统，并且该传递函数可以反映pmut的激励阶段及余振阶段的振动情况。在已知激励信号和pmut传递函数的情况下，可以获取反映pmut在余振阶段振动情况的模拟余振信号。
[0081]
式(11)虽然以pmut为例推导了超声换能器的传递函数，同时也可以看出式(11)过于复杂，从物理上得出超声换能器的传递函数比较困难。但是，超声换能器可以通过适当的方法测试出超声换能器的某种响应信息，有了系统的某种响应数据，就可以根据响应信息来获取超声换能器的传递函数，这种获得超声换能器传递函数的过程称为系统辨识。本实用新型的超声换能器传递函数通过系统辨识获取，具体方法为通过基于传递函数的反馈系统的自校准或对超声换能器的测试获取超声换能器响应，然后通过系统辨识算法获取。当超声换能器传递函数通过基于传递函数的反馈系统的自校准获取时，反馈系统在初始化阶段对超声换能器施加若干类型的激励信号，获取激励阶段及余振阶段超声换能器的响应信号，然后利用系统内置的系统辨识算法对激励信号和反馈信号进行辨识获取超声换能器传递函数。超声换能器传递函数也可以通过对超声换能器的测试获取时，通过对超声换能器的测试可以获得不同输入信号激励下超声换能器位移、速度、加速度等信号，通过对输入信号及超声换能器输出的位移、速度、加速度等信号的辨识，即可获取超声换能器传递函数。
[0082]
对微分方程式(1)和(7)求解，整合式(1)和(7)可得
[0083][0084]
在激励停止后，pmut处于自由振动阶段，此时v(t)＝0，式(12)可以化为：
[0085][0086]
式(13)的解为其中a0为pmut的初始位移。
[0087]
当在激励停止后再对pmut施加电压激励，此处以与pmut自由振动阶段相同的余弦信号作为激励，设为代入式(12)，得
[0088][0089]
令式(15)可化为：
[0090][0091]
再令可得可得上述二阶微分方程的解为：上述二阶微分方程的解为：其中，a0为pmut的初始位移，
[0092][0093]
当pmut在谐振频率下工作时此时振动幅值为此时位移为
[0094]
对比式(14)和式(19)可知，在停止激励之后，可以将pmut振动位移用作反馈信号，并且对位移信号进行适当的增益可以生成振动抑制信号。然后，使用振动抑制信号来激励pmut即可实时抑制pmut的振动。此时，是停止激励后pmut的自由振动项，是由振动抑制信号生成的pmut位移的附加衰减项。由于pmut的位移信号在实际应用中一般不容易获取，获取到的信号一般为电压信号，但由于超声换能器获取的电压信号与超声换能器振动的加速度呈正相关，而超声换能器振动的加速度与超声换能器振动的位移是二阶导数关系。因此，在实际应用中，超声换能器的振动位移信号、振动速度信号、振动加速度信号、振动电压信号均可作为模拟余振信号，仅需对非位移信号进行一定的反相、延迟处理之后其与以位移作为反馈的效果一样。但是超声换能器的工作频率通常较高，
为保证整个系统实时性，若直接以接收电路输出的余振信号作为反馈信号，对整个系统的硬件要求非常高。若将超声换能器的传递函数输入系统，以超声换能器传递函数输出的可以反映超声换能器振动情况的模拟余振信号作为反馈信号，此时由于所有计算均在主控芯片中计算，不需要考虑激励电路和接收电路带来的延时，可以大大降低系统的硬件需求。
[0095]
于本实用新型一实施例中，所述反馈控制器采用比例控制器、比例
‑
微分控制器、比例
‑
积分控制器或比例
‑
积分
‑
微分控制器。因此，所述模拟余振信号可以通过比例放大、反向、微分、积分、中的一种或多种方式生成所述余振抑制信号。
[0096]
于本实用新型一实施例中，本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统还包括开关模块7，所述开关模块7在所述激励信号输入时将所述激励信号源1和所述激励电路2连通，在所述激励信号停止时将所述反馈控制器5和所述激励电路2连通。具体地，所述开关模块为可切换开关，一端与所述激励电路2相连，另一端在所述激励信号输入时与所述激励信号源1相连，在所述激励信号停止时与所述反馈控制器5相连，从而实现所述激励电路2上输入的激励信号和余振抑制信号的切换。
[0097]
于一实施例中，本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的方法包括以下步骤：
[0098]
步骤s1、获取超声换能器的传递函数。
[0099]
具体地，通过基于传递函数的反馈系统的自校准或对超声换能器的测试获取超声换能器响应，然后通过系统辨识算法获取。当超声换能器传递函数通过基于传递函数的反馈系统的自校准获取时，反馈系统在初始化阶段对超声换能器施加若干类型的激励信号，获取激励阶段及余振阶段超声换能器的响应信号，然后利用系统内置的系统辨识算法对激励信号和反馈信号进行辨识获取超声换能器传递函数。超声换能器传递函数也可以通过对超声换能器的测试获取时，通过对超声换能器的测试可以获得不同输入信号激励下超声换能器位移、速度、加速度等信号，通过对输入信号及超声换能器输出的位移、速度、加速度等信号的辨识，即可获取超声换能器传递函数。
[0100]
步骤s2、当激励信号源提供激励信号时，同时向激励电路和超声换能器传递函数模块提供所述激励信号；基于所述激励电路激励超声波换能器，以使所述超声波换能器发射超声波供接收电路接收；基于超声换能器传递函数模块根据所述激励信号和所述传递函数生成模拟余振信号。
[0101]
具体地，当所述激励信号源工作时，同时向激励电路和超声换能器传递函数模块提供所述激励信号；所述超声换能器在所述激励电路的激励下发射超声波；所述超声换能器传递函数模块根据所述激励信号和所述传递函数生成模拟余振信号。
[0102]
步骤s3、当所述激励信号源停止提供激励信号时，基于反馈控制器根据所述模拟余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路，以供所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，直至所述超声换能器的余振信号减小到预设阈值。
[0103]
具体地，当所述激励信号源停止工作时，所述反馈控制器根据所述模拟余振信号生成余振抑制信号，并将所述余振抑制信号输入所述激励电路。所述激励电路将所述余振抑制信号施加至所述超声换能器，所述超声换能器产生与余振阶段运动相反的加速度，故能够抑制所述超声换能器的余振。一直进行反馈调节，直至所述余振信号减小到预设阈值，
即所述余振信号幅值减小至不足以影响回波信号的阈值以下。
[0104]
如图4所示，于本实用新型一实施例中，基于开关模块实现所述激励电路与所述激励信号源的连通和所述激励电路与所述反馈控制器的连通的切换。具体地，所述开关模块为可切换开关，一端与所述激励电路相连，另一端在所述激励信号输入时切换至所述激励信号，在所述激励信号停止时切换至所述反馈控制器，从而实现所述激励电路上输入的激励信号和余振抑制信号的切换。
[0105]
将本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的方法实际应用于超声波传感器中。由图5(a)和图5(b)中可以看出，相较于传统开环超声换能器系统，本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统可以快速衰减余振，使余振振幅在较短的时间内衰减至较小的值。由于余振被快速衰减，本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统可以减小超声换能器的盲区。图6(a)和图6(b)所示为将传统开环超声换能器系统和本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统应用于超声传感器的tof测距时，接收超声换能器接收到的实际信号。图6(a)为采用传统开环超声换能器系统时采集到的超声波信号，从图中可以看出，回波信号发生了畸变。该畸变是由于超声波余振产生的“拖尾”，回波信号与余振信号叠加后产生的，该畸变将会影响tof判断的准确性，从而影响测距精度。如图6(b)所示，为采用了本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统时采集到的超声波信号，从图中可以看出，超声波回波波形完整，没有发生畸变，可以根据回波波形判断回波到达时间从而计算距离。因此，在近距离测距时，传统开环超声换能器系统会由于余振的影响无法准确获得距离信息，而本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统由于抑制了余振，可以使传统开环超声换能器系统无法检测的距离被检测到，说明超声换能器的盲区被减小了。上述结果说明了本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统在实际传感器近距离测距中的有效性。
[0106]
综上所述，本实用新型的基于传递函数减小超声换能器余振和盲区的系统基于传递函数构建了减小超声换能器余振和盲区的反馈抑制系统，在激励信号激励超声换能器的同时驱动传递函数，从而获取可以反映超声换能器余振的模拟余振信号；模拟余振信号通过反馈控制器生成余振抑制信号，从而可以抑制超声换能器的余振，使超声换能器的振动快速衰减至阈值以下；与现有技术中的超声换能器系统相比，基于传递函数的反馈抑制方法利用传递函数构成了闭环系统，对输入信号变化不敏感，具有较强的抗干扰能力；同时，相较于直接利用超声换能器输出信号进行反馈抑制的系统，对硬件要求低，更容易工业上的推广应用；通过自校准的方式获取超声换能器的传递函数，即在初始化阶段对超声换能器施加若干不同类型的激励信号，获取激励阶段及余振阶段超声换能器的响应信号，利用内置的系统辨识算法对激励信号和反馈信号进行辨识获取超声换能器传递函数；该方法相较于利用超声换能器测试结果进行辨识，考虑到了环境对超声换能器的影响，提高了辨识获得的传递函数的准确度，从而提高了反馈控制的精度；能够在激励信号停止后快速衰减超声换能器的余振，且余振抑制信号不会在余振停止后再次激励超声换能器振动，解决了由于超声换能器余振带来的近距离测距盲区的问题；这是因为采用超声换能器本身的模拟余振信号作为反馈输入，由于模拟余振信号本身就是逐渐衰减的信号，从而反馈控制器根据此余振信号生成的余振抑制信号也是逐渐衰减的信号，因此余振抑制信号总会使超声换
能器的余振逐渐衰减，不会产生余振已经停止但是抑制信号并未停止，从而导致的超声换能器被抑制信号重新激励的问题。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0107]
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。