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1、传感器技术8(JournalofTransducerTechnology)2004年第23卷第6期研究与探讨超声波测距误差分析121苏 炜,龚壁建,潘 笑(1.武汉大学自动化系,湖北武汉,430070;2.长江科学院,湖北武汉430011)摘 要:介绍了超声波测距的原理以及环境对测量准确度的影响,分析了测量误差产生的原因。阐述了仪器设计时超声波传感器的选择、计数频率的确定及盲区对测量的影响,指出了提高测量准确度的途径,重点阐述了利用软件修正误差的方法,使仪器达到了设计指标,满足了工业测量的实际需要。关键词:超
2、声波;传感器;测距;误差;信噪比;盲区中图分类号:TP212.9文献标识码:B文章编号:1000-9787(2004)06-0008-04Erroranalysisofmeasuringdistancewithultrasonic121SUWei,GONGBi2jian,PANXiao(1.DeptofAutomation,WuhanUniversity,Wuhan430070,China;2.ChangjiangScientificAcademy,Wuhan430011,China)Abstract:The
3、principleofmeasuringdistancewithultrasonic,andtheinfluenceofenvironmentsonthemeasuringaccuracyareintroduced.Thereasonofmeasureinerrorisanalyzed.Wheninstrumentisdesigned,theselectionofultrasonicsensor,theascertainmentoffrequencycountandtheinfluenceofblindare
4、aonmeasurementareexpounded,theapproachofimprovingmeasuringaccuracyispointedout,themethodofcorrectingerrorwithsoftwareisexpoundedemphatically.Designaimsareachieved,measuringdemandsonindustryaresatisfied.Keywords:ultrasonic;sensor;measuringdistance;error;sign
5、alnoiseratio;blindarea0 前 言减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关,m/s。随着自动测量和微机技术的发展,超声波测距测量后者可求得媒质中的损耗。声波的传播与媒质的理论已经成熟,超声波测距的应用也非常广泛,目的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产生折射、反前,国内的测距仪器在测量准确度方面较国外有些射、衍射等)有关。差距。本文综述了超声波测距的原理及环境对测量利用声波反射原理,已知声速c,测量发射波与反射波的时间间隔t,可得到发射点与反射点的距准确度的影响,指出了在仪器设计时提高测量准
6、确离S为度的途径,重点阐述利用软件修正误差的方法。S=c·t/2.(2)1 测量原理2 环境对测量的影响声波是媒质中传播的质点的位置、压强和密度从式(1)可知,声波传输速度与媒介的弹性模量4对相应静止值的扰动。高于2×10Hz时的机械波和密度相关,因此,利用声速测量距离,就要考虑这称为超声波,媒质包括气体、液体和固体。流体中的些因素对声速影响。在气体中,压强、温度、湿度等声波常称为压缩波或压强波,对一般流体媒质而言,因素会引起密度变化,气体中声速主要受密度影响,声波是一种纵波,传播速度为液体的深度、温度等因素
7、会引起密度变化,固体中弹c=sqrt(E/ρ),(1)性模量对声速影响较密度影响更大,一般超声波在2式中 E为媒质的弹性模量,kg/mm;ρ为媒质的密固体中传播速度最快,液体次之,在气体中的传播速3度,kg/mm;E为复数,其虚数部分代表损耗,;c也度最慢。气体中声速受温度的影响最大。声波扰动是复数,其实数部分代表传播速度,虚数部分则与衰是机械的,声波在传播中带有机械能量,声能传播的收稿日期:2003-12-26第6期 苏 炜等:超声波测距误差分析
8、 9途中逐渐转变成热,从而出现随距离而逐渐衰减的3.1 超声发送和接收现象,称为声吸收。声波的频率越高衰减得越厉害,超声传感器等效为1个电感器、2个电容器和1个传播距离也越短,在给定的频率下,衰减是湿度的函电阻器串并联电路如图3所示。图中,左右两侧呈现数。容性,中间呈现感性,是一种典型高Q值晶体振子特2.1 声速受温度的影响性。在fS和fP处出现2个阻抗最低点,因此,有2个声速受温度的影响为谐振
