超声波测距技术原理及其精度提高方法

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1、超声波测距技术原理及其精度提高方法　　摘要：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。随着科学技术的飞速发展，对测距的精度要求也越来越高。本文介绍了超声波测距技术的原理，并且提出了通过时间增益补偿来提高其精度的方法。　　关键词：超声波测距；渡越时间；时间增益补偿　　中图分类号：TN551文献标识码：A文章编号：1674-7712

2、(2014)08-0000-01　　一、超声波测距技术原理　　超声波测距的基本方法为TOF(timeofflight)渡越时间检测法。它的基本原理是:超声传感器由强电脉冲信号激励，向外发射超声波，超声波遇到被测物体后形成反射回波;超声传感器接收反射回波，根据发射与接收的时间差来计算被测物体的距离。计算公式为:　　　　式中:D为被测物距离，c为超声波传播速度，t为渡越时间。　　由公式可看出，超声波测距的关键是渡越时间的确定。确定渡越时间一般有几种不同方法。　　（一）包络峰值检测法　　包络峰值检测法是将接收到的超声波回波信

3、号处理转化为回波包络曲线，通过对回波包络地分析确定回波前沿到达的时间。在使用超声波进行距离检测时，对同一个被测物体，在不同距离上产生的回波包络曲线较为相似，波形基本一致，波幅不同;对同一距离上的不同探测物体，回波包络大致相同，波幅不同。因此，可以近似认为超声回波包络曲线的形状基本不随外在条件的变化而变化，即回波前沿到达的时间与回波峰值时间的时间差基本确定。所以，只要通过包络峰值检测确定回波峰值时间，减去固有时间差Δt=tp-t0，就能确定回波前沿到达的时间，也就得到精确渡越时间。　　（二）可变阈值检测法　　可变阈值检测

4、的基础是信号过零检测。超声波测距通过信号过零检测的方式可以使检测过程快速简便。信号过零检测的原理是：控制系统发出指令开启超声波传感器，使测距系统的超声波产生模块发出超声波，并在发出开始指令的同时启动计数器模块，当测距系统的超声波接收模块检测到超声波的反射信号时，通过运算放大器将反射信号进行放大，再通过模数转换器将反射信号转换为控制系统可以识别的电信号。控制系统将接收信号与系统设定的电压阈值进行比较，如果接收信号大于阈值电压，则认为该信号为有效信号，控制系统发出指令停止计数器计数，系统通过运算将计数值转换为渡越时间，从而

5、计算出测距距离。因为反射信号的强弱和测距距离成反比例关系，测距距离越长，反射信号越小，计数值就越大，从而通过控制系统计算出的测距距离越大。因此，超声波测距系统中的控制系统将增益(阈值)与时间形成可变的函数方式，根据具体的测距模式将阈值-时间设定为阈值大小根据时间的增长呈指数状态减小，增益-时间设定为增益大小根据时间的增长呈指数状态增大。将控制方式设定成自动识别模式后可以更加准确快速高效的判断出不同距离上目标的反射信号，从而可以提高测距的准确性和快速性。但是可变阈值检测只能用于信噪比搞的环境条件下，因为测距的距离太远容易

6、产生干扰噪声，而此时的干扰噪声的大小与反射信号相比不能被忽略，所以此时用阈值检测模式的测量准确性有所下降。　　二、时间增益补偿法提高精度　　时间增益补偿的基本方法是通过回波接收放大电路的增益与回波接收时间成正比，或放大倍数与回波时间成指数关系来减小回波起伏引起的误差，使接收电路接收的回波信号几乎保持不变。超声波在传播过程中，会产生衰减。超声波的声强会随时间的增加而逐渐减小,所以可通过对衰减的回波进行增益补偿来减小声强的变化,从而避免随距离增加导致回波幅度起伏。回波起伏减小则时间误差减小，测量精度就提高了。　　由下图可见

7、,经过时间增益补偿,不同距离的回波幅度都不再起伏。若补偿精确，就可使回波幅度基本保持为常数。　　　　图1　　三、结束语　　超声波测距技术应用日趋广泛，技术精度和要求也必定不断提高。本文介绍了超声波测距技术的基本原理和通过时间增益补偿法提高测距精度的原理，是超声波测距技术的基础。随着研究不断深入，未来将会出现更多的新方法、新理论，使测距更加方便快捷，更加精确。　　参考文献：　　[1]李戈.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学,2011(04).　　[2]张珂,刘钢海.提高超声波测距精度方法的研究[J].现代电子技术

8、,2007(15):139-141.　　[3]韩丽茹.提高超声波测距精度方法综述[J].电讯技术,2010(09):132-135.　　[4]张海鹰.超声波测距技术研究[J].仪表技术,2011(09).　　[作者简介]王伟颖，本科在读，西南交通大学电气工程学院11级电气三班，学生学号20110179；黄沁悦，本科在读，西南交通大