提高超声波测距系统精度的研究

　　1　超声测距原理

　　超声测距原理很简单,一般采用渡越时间法:超声波测距原理如图1,图中被测距离为H,两探头中心距离的一半用M表示,超声波单程所走过的距离用L表示,由图中关系可得:

　　将式(2)代入式(1)可得:

　　在整个传播过程中,超声波所走过的距离为:

　　式中v为超声波的传播速度, t为传播时间,即为超声波从发射到接收的时间。

　　将式(4)代入式(3)可得:

　　在式(5)中,超声波的传播速度v在一定温度下是一常数,如:在温度T=0℃时,v=331.45m/s。当被测距离H远远大于M时,cos[arctan(M /H)]≈1,于是式(5)变为:

　　由此可见,要想测得距离H,只要测得超声波的传播时间t即可。

　　对于超声波传播时间t的测量原理如下:在超声波发射的同时,发信号给单片机,在单片机接收到脉冲信号的同时开始计数,直到超声波接收探头接收到超声波回波的同时停止计数。此时,就可从单片机所记得的脉冲数计算出超声波的传播时间,进而计算出所要测量的距离。

　　2　影响测距精度的几种因素

　　2.1　温度的影响

　　一般认为,超声波在空气中传播时,传播速度受温度的影响而变化,若要提高测距系统的测量精度,温度是一个不得不考虑的因素。

　　声速与温度的关系为:

　　式中T为摄氏温度。由式(7)可以得出声速与温度的关系表,如表1所示。

　　可见,当温度每升高10℃,声速就会产生6.17m/s的变化,所以为了提高测量准确度,计算时必须根据温度进行声速修正。修正方法为:在超声波探头旁放置温度传感器,测量周围的环境温度T,将所测得的环境温度送入单片机,按式(7)进行运算,求出超声波的传播速度v,再按式(6)求出被测距离。

　　2.2　衰减的影响

　　声波在传播过程中,声压的幅度随着媒介对声波的吸收而衰减,声强随着频率增大衰减增加,在给定频率时衰减是湿度的函数。产生最大衰减时的湿度视频率而不同,例如:频率大于125kHz时,最大衰减发生在湿度为100%RH处,而在频率40kHz时,最大衰减发生在湿度50%RH处。对于在传播过程中的声压衰减的补偿可以采用自动增益电路来实现,使电压放大倍数随测距距离的增大而呈指数规律增大,使得接收回波的幅值保持基本恒定或仅在较小范围内变化,然后再经过整形电路输出。

　　2.3　“拖尾”的影响

　　当超声波信号发射后,信号总是存在着衰减震荡如图2,这就叫做“拖尾”。“拖尾”与发射频率和传播媒介的性质有关,一般在1ms~2.5ms,在这段时间内,“拖尾”信号与回波信号是无法区别开来的,因此造成了盲区的存在,而且这段时间的长短决定着盲区的大小。因此,若要缩小盲区就要减小“拖尾”。