一种高精度超声波测距仪测量精度的研究

　　0　引言

　　超声波测距技术是近年来出现的测距新技术,是一种非接触的检测方式,和红外、激光及无线电测距相比,它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特性,在近距范围内超声测距具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响,在恶劣作业环境下有一定的适应能力.因此利用超声波测距在实现定位及环境建模场合,如:液位、汽车防撞雷达、井深及管道长度测量、机器人定位、辅助视觉系统等方面得到广泛的应用[1~6].但传统的超声波测距仪测量精度普遍较低,都不能满足高精度测量的要求.为了克服此不足,我们从测距仪结构设计和回波信号处理的角度出发,提出了基于回波包络峰值的检测方法,从而进一步提高测距仪超声检测的精度[7~10].

　　1　超声波测距原理及系统硬件电路组成

　　超声波测距是借助于超声波脉冲回波(即声纳法)来实现的.该系统原理如图1所示.

　　设脉冲超声波由探头发出到接收所经历的时间为t,超声波在空气中的传播速度为c,从探头到目标探测物的距离为d,则

　　2　超声波测距仪的结构改进及温度补偿原理

　　超声波在空气中的传播速度随着环境温度、湿度以及大气压力的变化而变化,其中以环境的温度对声速的影响最大.环境温度每升高或降低1℃,声速就增加或减小0.607 m/s.因此,消除由温度的变化而引起的测距误差就显得尤为重要.

　　在本文中,我们采取安装标准校正板的办法来消除温度变化造成的测量误差.

　　如图2所示,在探测仪的底板上部安装一个固定距离为15 cm的标准校正板,d表示探头到探测目标的距离,d0表示探头到标准校正板的距离,标准校正板可以在A-B平面上左右滑动,以方便进行校正和测量.设在校正段内的声速为c0,超声波脉冲从发射到接收所经历的时间为t0,则d0=c0t0;另一部分则由被测目标反射回来,其传输时间为t,传播速度为c,则d为:d=ct,因为这两段内传播速度相等,即:c=c0,式

　　根据式(2)可以看出:目标距离只和d0、t、t0有关,而与超声波传播的速度c无关,这也正是本测距仪加装标准校正板的目的,此时目标探测距离的探测精度只取决于标准校正板的安装精度和回波时间的测量精度,与超声波的声速无关,这就消除了温度、湿度、粉尘、气流、气压等的影响.在实际测量过程中,采用单片机控制,首先测量时间t0、t,最后由上位机根据式(2)计算出目标距离.

　　3　小波分析及回波信号的包络峰值检测

　　在本超声波测距系统中,由式(2)可以看出:只要保证了校正板的安装精度,测距误差主要是由超声波脉冲传输声时t、t0引起的测量误差,实际上是对测距脉冲回波前沿的检测误差.为了能精确地推算出其回波前沿,必须对回波脉冲的传输特性进行分析.