高精度超声波测距设计

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1、高精度超声波测距实施方案与分析引言声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。和其他方法相比，如激光测距、微波测距等,由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于吋间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同

2、，造成冋波信号的起伏，使冋波到达时间的测量产生较大的误差；超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题，提高超声波测距的精度，具有较大的现实意义。一、超声波测距基本原理与误差分析从原理上讲，超声波测距有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声波传感器发射超声波，在空气中传播-至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测

3、量超声脉冲从发射到接收的实践A,在已知超声波声速c$的前提下，可计算被测物的距离SoffiI趨声波测距基本电路框图单片机根据脉冲发射时间和接收到回波的时间计算出时间差t,即超声波在空气屮传播的时间，并由式(1)：S——Csts(1)2计算出距离S,式屮参数G是超声波在空气屮的传播速度，由于温度影响超声波在空气屮的传播速度；超声波反射冋波很难精确捕捉，致使超声波住空气屮传播的实践很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。本文从引起超声波测距误差的原因入手，分析了；①、温度对超声波声速的影响；②、回波检测对时间测量的影响；③、

4、超声波传感器所加电压对测量精度和范围的影响；④、超声波传播过程中脉冲被展宽对接收精度的影响。我们将对以上四点因素一一分析更正。超声测距误差因素分析1＞温度对超声声速的影响空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气屮传播。因此，超声波的传播速度受到气体密度、温度及气体分子成分的影响，B

5、J：其屮B为气体的弹性模量，P为气体的密度。气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得：B=yP⑶其中Y味定压热容与定容热容的比值，空气为1.40,P为气体的压强。气体的压强为：R・

6、T・pM其屮R为普适常量8.314kg/mol,T为气体的温度K（绝对温度）。M为气体分子量，空气为2&8x103kg/molo所以厂y・R・TG=、（5）VM由（5）可知，超声波声速与空气的温度有密切关系。例如：20°C时，T二293.15,G=344.2m/s；40°C时,T=313.15,C$=355.8m/s；・20°C时,T=253.15,C$=319.9m/s。从上面的计算可以看出，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。解决方案对于温度对声速影响，我们将釆用DS18B

7、20温度传感器，进行温度精确测量，将数据反馈给单片机内部，通过数学算法，消除温度对声速的彤响，从而解决在测距过程中声速误差对最终结果的影响。2、回波检测对时间测量的影响超声波在空气中传播吋，声强会随传播距离的增加而减小，这就是所说的衰减现象，造成回波衰减的因素是由于声朿本身的扩散以及以及由于反射、散射等原因造成的声强度减弱。显然，这一类衰减没有使声波的总能量减少，只是使其偏离了原来的传播方向而转移到其他方向上去了。设最初的声强为人），在经过x距离后，由于吸收衰减，声强变为/,则超声波的吸收可以用式⑹表示：I=he~ax(6)式中，a为空

8、气衰减系数，a=b-f其中Z?为空气介质常数，/为超声波频率。rti上式可知，超声波在空气中传播时，随着传播距离的增加，其总能量逐渐减弱，其规律是按指数形式衰减。因此，在不同距离上的回波脉冲幅度，由于其声程不同，造成的吸收程度也不同，使冋波脉冲幅度的差异很大，由于在冋波脉冲信号处理屮通常釆用比较器电路,将回波脉冲(形状为钟形)跟一固定的基准电压作比较，将回波脉冲整形为方波；由于不同距离的回波脉冲幅度差异较大，回波到达时间产生不确定性，导致测量误差产生。如果探头发出的超声波，经x距离到达某反射面，并经原路返回，其入射声强和反射声强分别是

9、li和厶，由式(6)可得：L=Le'2ax(?)从中可以看出，因为吸收而使声强增益L减少的分贝数(dB)为：I=101g-=101ge2ax=20calge(8)lrL-4.3x2ca=A.3acto)式屮