高精度超声波测距仪的设计

　　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,测量时与被测物体无直接接触,可以应用于灾害救援、汽车倒车、闭路电视安装、建筑施工以及一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。一般的超声波测距仪的测距依据是基于超声波在标准空气中的传播速度,而超声波在不同温度的空气中的传播速度略有不同,因而导致实际测量精度不够高。下面介绍一种克服了这种缺陷的高精度超声波测距仪的设计方法。

　　1　超声波传感器及其测距原理

　　超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换成超声波,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。

　　超声波测距的原理一般采用渡越时间法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的传播速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。

　　测量距离的方法有很多种,短距离的可以用尺子,远距离的可用激光测距仪等,而超声波测距则适用于高精度的中等距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331·45m/s,在基于单片机的测距仪中由单片机负责计时,单片机使用12·0MHz晶振,机器周期为1μs,而声波传输一厘米也只用几微秒,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

　　超声波发生器可以分为两类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。本课题属于中等距离测量,可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。

　　2　超声波测距的算法设计

　　图1示意了超声波测距的原理,即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号,当超声波遇到被测物体后反射回来,就被超声波接收器R所接收。这样只要计算出从发射信号到接收返回信号所用的时间,就可算出超声波发生器与反射物体之间的距离。物体间距离可用式(1)进行计算:

　　声速c与温度有关(见表1),如温度变化不大,则可认为声速是基本不变的,一般的超声波测距仪的测距依据是基于超声波在标准空气中的传播速度。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后,只要测得超声波往返时间,即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度,可进行温度补偿,根据不同的环境温度确定声速提高测距的稳定性和准确度。