專利名稱：超聲波聚束定向及增強信號的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于超聲波探測或測距的超聲波聚束定向及增強信號的裝置。
背景技術：
目前，超聲波測距傳感器在眾多領域已得到廣泛應用，由于其能抵御各種復雜的 環(huán)境，如光照、電磁波、煙霧等，因此在工業(yè)控制和民用設備中都有大量使用。在空氣介質(zhì)中，超聲波的信號強度隨距離的增加會迅速衰減。如果考慮防水防塵， 使用密封型超聲波傳感器一般只能做到3-5米遠。單純地提高超聲波發(fā)射功率，則超聲波 發(fā)射器的使用壽命會大大下降。如果提高放大器的放大倍數(shù)，放大器又極易受到干擾。這 些方法都不能根本解決距離近的問題。公知的超聲波傳感器都有一定的擴散角，聲束指向性差，也即定向性不好。高頻 率、大體積的超聲波傳感器定向性有所改善，但制造成本又太高，導致價格貴不利于推廣。申請日為1997年3月13日的中國發(fā)明專利CN1165303公開了一種超聲波聲束定 向裝置，該裝置采用筒形結構，雖然能起到一定的定向作用，但不能增強信號，而且吸聲材 料也不能完全吸收側面的反射聲波，仍可能產(chǎn)生減弱聲波的“疊加效應”，此外吸聲材料還 需要考慮防水防塵等問題。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題是提供一種定向性好和有效距離遠的超聲波聚束 定向及增強信號的裝置。為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案一種超聲波聚束定向及增 強信號的裝置，包括超聲波傳感器，所述超聲波傳感器外設有聚束反射罩，所述聚束反射罩 的內(nèi)表面為旋轉拋物面，所述超聲波傳感器設置于旋轉拋物面的焦點處。本實用新型所述聚束反射罩的內(nèi)表面為光面結構。本實用新型所述聚束反射罩的中心剖面拋物線方程為2ηλχ = y2，其中，
為反射罩深度，η為正整數(shù)，λ為超聲波波長；聚束反射罩旋轉拋物面的三維 方程為2η λ χ = y2+z2，其中，0彡χ彡d，d為反射罩深度，η為正整數(shù)，λ為超聲波波長。本實用新型與現(xiàn)有技術相比，在超聲波傳感器外增加一個有聚束作用的反射罩， 使超聲波聚束，具有低成本、小角度、長距離、抗干擾等優(yōu)點。

圖1是本實用新型聚束反射罩的示意圖。圖2是本實用新型的剖面結構示意圖。圖3是本實用新型超聲波檢測區(qū)域的對比示意圖。圖4是本實用新型超聲波信號增強計算方法的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的描述。如圖1、圖2所示，本實用新型超聲波聚束定向及增強信號的裝置，包括超聲波傳 感器1，該超聲波傳感器1外設有聚束反射罩2，聚束反射罩2的內(nèi)表面為光面結構的旋轉 拋物面，超聲波傳感器1設置于旋轉拋物面的焦點處。本實用新型是給普通超聲波傳感器增加一個有聚束作用的反射罩，以解決“定向 性差”和“距離近”的問題。由于超聲波有直線傳播的特性，遇光滑表面時產(chǎn)生反射(類似光 線，入射角=反射角)，因此把超聲波傳感器和探照燈一樣，增加一個如圖1所示的旋轉拋 物面聚束反射罩，使超聲波聚束。該聚束反射罩內(nèi)反射面的中心剖面圖如圖2所示，其中中心剖面拋物線方程可設為2Px = y2，P > 0，0彡χ彡d(d為反射罩深度)；聚束反射罩內(nèi)旋轉拋物面的三維方程可設為2Px = y2+z2,P > 0，0彡χ彡d(d為 反射罩深度)。說明聚束反射罩的內(nèi)表面為光面，超聲波傳感器設置在拋物線焦點處(P/2，0)， 任意一束發(fā)散聲波L經(jīng)反射罩反射后變?yōu)槠叫杏讦州S的波束(這是拋物面的特性)。類似 地，遠處近似平行于χ軸的障礙回波，經(jīng)反射罩聚焦后，將使接收信號增強。為方便說明，以 下只討論發(fā)射情形。上述聚束反射罩雖然解決了聚束問題(即定向性)，但如圖2所示，反射聲波L和 χ軸的直達聲波路徑不相等，當兩路聲波在正前方“疊加”時，可能由于相位相反，反而使聲 波在某些區(qū)域抵消或削弱。如圖3所示I 無聚束反射罩時的有效檢測區(qū)域；II 有聚束反射罩，但反射聲波與直達聲波相位不同，有抵消或削弱的區(qū)域。III 聚束反射罩經(jīng)正確設置后的檢測區(qū)域。如果經(jīng)過計算，使反射罩反射的聲波和直達聲波同相，則聲波在正前方的疊加后 會使信號成倍增強，如圖3III所示。具體計算如圖4所示顯然反射聲波L的路徑比χ軸的直達聲波M要長(c > a)，如果使c-a = η λ (η為正整數(shù)，λ為超聲波波長)則反射聲波和直達聲波在正前方遠處 疊加會同相。如果設直達聲波為M= sinwt，反射聲波為L = sinw (t-At)，At為延時時間。因 為 At = η λ /ν (ν 為聲速)=n/f = n*2JI/w，也即 L = sin (wt_n*2 JI)，顯然 L、M 同相。設拋物線方程為2Px = y2，P > 0，由A點坐標為(a+P/% b)，得2Pa+P2 = b2又由ABC三點構成直角三角形，即a2+b2 = C2得(a+P)2 = C2得關系式c_a = P要使c-a = ηλ (η為正整數(shù)，λ為超聲波波長)，只需η λ =Ρ，即可。[0039]結論為了提高超聲波傳感器的定向性，以及增加信號發(fā)射強度和提高接收靈敏度，可 以給超聲波傳感器加聚束反射罩，聚束反射罩的內(nèi)表面為一確定的旋轉拋物面，超聲波傳 感器設置于拋物面的焦點處。該聚束反射罩旋轉拋物面的中心剖面平面方程為2nAx = y2,0^x^d(d為反射罩深度)，η為正整數(shù)，λ為超聲波波長。該聚束反射罩旋轉拋物面的三維方程為2ηλχ = y2+z2,0 ^ χ ^ d(d為反射罩深度)，η為正整數(shù)，λ為超聲波波長。本實用新型在空氣介質(zhì)中的應用示例在固定介質(zhì)中，超聲波的傳播速度ν是可以確定的，例如在空氣中15°C —個大氣 壓時，聲速為340米/秒。如果超聲波的工作頻率為40kHz，由λ = v/f(v為超聲波傳播速度，f為超聲波頻率)得波長 λ = 8. 5mm事實上，溫度變化或大氣壓變化時，聲速ν也會在一定范圍內(nèi)變化，由于變化比率 并不大，不會導致所謂“反相疊加”的負面影響，所以可以折中取λ =8.5mm即可。一般η 取值為1，則可用17x = y2+z2 (單位mm)所確定的旋轉拋物面作聚束反射罩。關于聚束反射罩深度d的取值，可根據(jù)實際需要和使用的方便性適當選擇。經(jīng)驗證，用普通的超聲波傳感器，加合適的旋轉拋物面反射罩后，發(fā)射角度可減小 到10度，而信號強度增加了幾倍。采用本實用新型后可以減少超聲波的發(fā)射功率，極大地提高了超聲波傳感器的使 用壽命。還可以用小倍數(shù)的放大器處理信號，大大提高了電路的抗干擾能力。由于本實用 新型采用低成本的方式滿足了較高的性能要求，因此具有著非常大的應用前景。
權利要求一種超聲波聚束定向及增強信號的裝置，包括超聲波傳感器(1)，其特征在于所述超聲波傳感器(1)外設有聚束反射罩(2)，所述聚束反射罩(2)的內(nèi)表面為旋轉拋物面，所述超聲波傳感器(1)設置于旋轉拋物面的焦點處。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲波聚束定向及增強信號的裝置，其特征在于所述聚束 反射罩(2)的內(nèi)表面為光面結構。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波聚束定向及增強信號的裝置，其特征在于所述 聚束反射罩⑵的中心剖面拋物線方程為2η λ χ = y2，其中，0彡χ彡d，d為反射罩深度， η為正整數(shù)，λ為超聲波波長；聚束反射罩(2)旋轉拋物面的三維方程為2ηλχ = y2+z2, 其中，0彡χ彡d，d為反射罩深度，η為正整數(shù)，λ為超聲波波長。
專利摘要本實用新型公開了一種超聲波聚束定向及增強信號的裝置，要解決的技術問題是提供一種定向性好和有效距離遠的超聲波聚束定向及增強信號的裝置。為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案一種超聲波聚束定向及增強信號的裝置，包括超聲波傳感器，所述超聲波傳感器外設有聚束反射罩，所述聚束反射罩的內(nèi)表面為旋轉拋物面，所述超聲波傳感器設置于旋轉拋物面的焦點處。本實用新型與現(xiàn)有技術相比，在超聲波傳感器外增加一個有聚束作用的反射罩，使超聲波聚束，具有低成本、小角度、長距離、抗干擾等優(yōu)點。
文檔編號G01S3/86GK201716410SQ20102024653
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權日2010年7月1日
發(fā)明者錢仁貴 申請人:錢仁貴