超声波测距精度的研究

　　0　引言

　　随着自动测量和微机技术的发展,超声波测距作为一种现代化的测量手段以其不接触被测物体、可测范围广、不受光线和被测物体颜色的影响、易于控制等优点,已经在液位测量、建筑测量等方面得到越来越广泛的应用。目前,国内的超声波测距专用集成电路的精度只能达到厘米级,可以满足一般工业测量的要求,但是对于一些精度要求较高的测距场合就不适合了。本文从提高测距精度出发,分析了误差来源,重点介绍通过研究幅度起伏和时间漂移条件下的回波包络模型,并对模型进行简化处理以精确计算渡越时间的方法。通过实验证明,所设　　计的超声波测距系统误差小于±3%,满足了各种高精度近距离测距的要求,有广阔的应用前景。

　　1超声波测距原理

　　本系统采用渡越时间法测量超声波。所谓渡越时间法可以表述为:设超声波发射换能器到目标障碍物的距离为L,超声波在空气中的传播速度为C,超声波从超声波发射到接收换能器接收所经历的渡越时间设为t,则L= Ct/2。

　　2系统设计及工作原理

　　系统设计如图1所示,由超声波测距系统、控制系统和显示部分组成。

　　2.1　超声波发射及驱动

　　由于超声波在空气中传播时,超声波散射与超声波频率的四次方成正比,被空气吸收的能量与超声波频率的平方成正比,所以超声波频率越高所能测量的距离越短,因此在测量较远距离时超声波频率不可过高。本系统采用的是40KHz的超声波,经由单片机的I/O口产生,由功率放大电路驱动超声波发射换能器发射超声波。

　　2.2　超声波接收电路

　　系统为判断回波信号前沿而设置一定的门限值,但由于每次测距回波包络的峰值是不同的,因此需要根据回波包络峰值设定相应门限值。对同一目标距离测量前后两次回波信号峰值基本相同,因此　系统通过前一次回波包络峰值,确定比较器门限,然后发射超声波脉冲,计算渡越时间。超声波接收换能器接收到的超声波回波信号幅度一般在毫伏级,需要对信号进行多级放大。由于信号微弱,信噪比较小,在一级放大后经由带通滤波器滤除噪声后送二级放大电路放大,放大后的信号由包络检出电路将包络检出,然后送给峰值检测电路检测出峰值。系统根据检测出的峰值乘以一个比例系数确定比较器电平的基准电压。下一次脉冲发射开始计时,由单片机检测回波信号是否到达门限值,到达则停止计时,计算渡越时间

　3　超声波速度与回波时间的确定

　　根据超声波测距公式,测距误差来源于超声波速度的误差与渡越时间的测量误差。