超声波传感用于各种汽车和工业应用,从液位传感到机器人障碍物检测和自动泊车辅助。基于变压器的设计可以产生具有最大测距距离的高精度解决方案。本 FAQ 将回顾超声波传感的几种应用,比较变压器驱动与直接驱动解决方案的能力,然后深入探讨与超声波传感应用变压器相关的一些细节中国机械网okmao.com。
超声波传感测量超声波信号从物体发出和反射之间的时间间隔。它是满足许多短距离(30 cm 至 8 m)物体检测需求的经济高效的解决方案。超声波信号的常用频率范围从 40kHz 到 200kHz,但更高和更低的频率也用于特定应用的需求。超声波传感器技术不断发展和完善。自动驾驶和高级驾驶辅助系统 (ADAS) 中的汽车应用正在迅速增长。它们包括盲点警告和接近检测、自动泊车辅助、踢开或智能行李箱开启器 (STO) (图 1)。
图 1:超声波传感器用于各种汽车应用。(图片:TDK)
许多使用超声波传感器的汽车应用都可以从变压器驱动设计中受益(图 2)。例如,停车辅助系统在每个保险杠上使用多个传感器,并且需要通过基于变压器的设计实现额外的性能。电子控制单元 (ECU) 分析来自各种超声波传感器的输入,以识别潜在障碍物并确定它们的距离。在这些系统中,变压器需要具有严格的电感容差,包括电磁干扰屏蔽和汽车温度范围内的极低漂移。这些系统可以在汽车周围放置多达 16 个超声波传感器。
图 2:典型的超声波换能器驱动电路,右上方显示中心抽头变压器。(图片:线艺)
STO 是汽车超声波传感器的新兴应用。它使人们只需在后保险杠附近挥动(以类似踢腿的动作)脚即可打开后备箱。与电容式感应相比,超声波感应提供了更好的灵敏度。由于这是一种短距离感测应用,变压器驱动的解决方案是首选,因为它们可以提供更可预测的超声波振铃衰减,从而实现更准确的短距离感测。
除了变压器驱动的解决方案,一些应用也受益于直接驱动设计。直接驱动更简单,成本更低,但性能有限,通常不用于汽车应用。直接驱动用于具有低成本开顶传感器的成本敏感的短距离应用。当驱动电压较低时,使用半桥或全桥逆变器可以提供激励换能器所需的交流驱动电压。变压器驱动解决方案提供更高的性能,通常与在 80 V 峰峰值 (Vp-p) 和更高电压下运行的封闭式传感器一起使用。
超声波升压变压器可用于将换能器驱动到所需的声压级 (SPL) (图 3)。SPL 以分贝为单位测量,是均方根 (RMS) 或声音相对于参考值阈值的有效声压的对数度量。在最大指定的换能器驱动电压下,换能器变得饱和并且不能产生任何额外的 SPL,并且 SPL 曲线达到其最大水平。
图 3:电压驱动与声压级。(图片:德州仪器)
变压器驱动系统将通过微调和减少转码器衰减振铃时间来准确感应近距离物体的能力与支持准确远距离感应的能力相结合。感应附近物体时,响铃时间很重要。如果时间过长,振铃会限制检测反射信号的能力,从而导致遗漏物体或距离测量错误。
驱动电压是超声波测距系统的关键规格。有许多开顶和闭顶换能器设计,驱动电压范围从 5 到 200 Vp-p 以上。特别是对于更高电压的设计,需要变压器以所需的谐振频率有效地向换能器提供正弦波或方波驱动。变压器驱动设计还可以最大限度地提高传感器生成的 SPL,而不会过度驱动它以进行远程测量。
对于大约 80 Vp-p 或更高的驱动电压,通常使用匝数比为 10:1 或更高的单端或中心抽头变压器。典型输入电压范围为 5 至 24 Vdc。变压器驱动器可以将这些相对较低的输入电压提升到更高性能应用所需的更高水平。
在一些超声波换能器驱动设计中发现了可调电感变压器。它们的缺点是电感会随温度漂移,导致驱动性能达不到最佳状态,甚至运行不稳定。尤其是在汽车温度范围内工作时,使用固定电感超声波变压器可能是有益的。这些变压器在高达 TA = 125°C 的环境温度下具有固定且稳定的电感(图 4)。固定电感操作对于支持汽车和工业系统中可靠和准确的距离测量非常重要。
图 4:固定电感变压器提供准确可靠的系统性能。(图片:线艺)
单静态与双静态传感器架构
常见的超声波换能器测距系统架构可以使用单个超声波收发器(单静态)或单独的超声波发射器和接收器(双静态)(图 5). 在需要角度定向、三角测量和跟踪的更复杂系统中,使用三个或更多换能器。单静态与双静态架构的使用涉及成本和性能之间的权衡。单静态架构通常是成本最低的解决方案,但受到谐振效应导致的最大可检测距离和振铃导致的最小可检测距离的限制。在双静态架构中分离发射和接收功能可提高系统性能,特别是对于近距离物体检测,可以一致地检测到距离小于一厘米的物体。
图 5:超声波系统架构包括具有单个收发器的单静态配置或具有单独发射器和接收器的双静态配置。(图片:德州仪器)
为了提高单静态架构的短程能力,有必要对变压器和换能器进行建模,以通过添加调谐电容器 (C TUNE ) 和阻尼电阻器 (R DAMP )来最小化振铃衰减时间的影响(图6)。
图 6:带有调谐组件的超声波换能器和变压器电气模型。(图片:德州仪器)
需要考虑变压器寄生效应,尤其是次级侧漏电感 (L SEC )。换能器在其设计频率下共振时效率最高。任何偏离最佳频率的漂移都会导致 SPL 损失。当 L SEC添加到换能器 Butterworth-Van Dyke (BVD) 模型时,它会影响换能器性能。驱动频率和预期接收频率之间可能不匹配。与换能器并联添加 C TUNE可以使变压器的 L SEC与换能器的谐振频率相匹配。C TUNE 的值通常在 100 到 2000 pF 之间。
为了在保持驱动功率和远程能力的同时减少振铃衰减时间,R DAMP与传感器并联添加。虽然添加 C TUNE对桥驱动拓扑没有好处,但添加 R DAMP对变压器驱动和桥驱动单静态设计都有好处。R DAMP 的典型值范围为 500 Ω 至 25 kΩ,具体取决于电路设计和传感器特性。
概括
基于变压器的设计可以在广泛的工业和汽车超声波测距和传感应用中提供最佳性能。这些系统中的变压器需要具有严格的电感容差,包括屏蔽电磁干扰,并且在汽车温度范围内具有非常低的漂移。此外,设计人员需要考虑变压器寄生效应和换能器 BVD 模型,以确保系统运行最佳且可靠。