壓電式超音波快速感測系統

本論文結合超音波飛行時間法(ToF / Time of Flight)與相位偵測法(PD / Phase Detection)之優點,並討論一種新的超音波訊號處理方法。此方法引進非連續脈寬調變(DPWM / Digital Pulse-Width-Modulation)為代表,超音波感測系統可以透過此法,去捉取超音波的回波時間,並透過卡爾曼數位濾波器(Kalman Filter)預測並降低誤差,其中也包括處理壓電片阻抗的模擬(Impedance Simulation)。在此由透過數位編碼與數值方法的建立,將可使感測器應用於實際測試中,達到高效能與高可靠度的資料。本文主體分為超音波致動器(Ultrasonic Actuator)、超音波感測器(Ultrasonic Sensor)、電路模擬(Circuit Simulation)、電路設計(Circuit Design)、訊號處理(Signal Process),五大部份所組成。首先由電路模擬的部份開始建立一個壓電致動器模型,由材料製程常數來決定最佳驅動頻率與最佳驅動電壓,還有提供了壓電片感值與容值的電抗性分析,進而開始使用FSK(Frequency Shift Keying)訊號調變的方式,或是DPWM(Digital Pulse Width Modulation) 訊號調變的方式,來進行超音波訊號發送,完成一個完整的超音波發送過程。在超音波接收電路方面,先由麥克風模型建立一個簡單的聲音感測器,再由電路模擬的部份開始建立一個壓電感測器模型,透過電路分析設計軟體(PSpice / HSpice),建立功率放大器(OPA / Operation Amplifier)接收電路,或是建立一個NPN型BJT(Bipolar Junction Transistors)電晶體之共射極電壓增益CEVG(Common-Emitter Voltage Gain),來進行交流與直流分析(AC and DC analysis),最後將輸出導入訊號截取卡(Data Acquisition Card),透過卡爾曼數位濾波器來預測,得到最終的輸出結果。透過本文可以快速的了解超音波感測器基本原理,並由本系統的脈寬調變法,去驅動一組超音波致動器與感測器。在實際測試之中所得到的數值資料,此方法將是一個最可靠而且最有效率的方法。本論文的優點是可以縮短超音波測距的反應時間(Response time),透過超音波資料串流模式(Ultrasonic data stream),在中長遠距離之中快速的得到精確的資訊。

作者:吳勇毅