超声波测距技术

　　1 引言

　　超声波是一种频率超过20KHz的机械波。超声波作为一种特殊的声波, 同样具有声波传输的基本物理特性—反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点, 可产生较大力量, 并且在不同的媒质介面, 超声波的大部分能量会反射。利用反射这一性质, 在金属, 非金属中用来探测缺陷的位置和性质, 从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土、人造石磨等进行探伤检验; 在水中, 根据反射波可以探测潜水艇和鱼群, 测量海底深度以及探查海底底层等; 在人体中则可以协助临床诊断疾病( 如肝脓肿、肿瘤、胆结石等) 和探测胎儿等。

　　2 超声波测距

　　超声波是一种振动频率高于声波的机械波, 由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的, 它具有频率高、波长短、绕射现象小, 特别是方向性好, 能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中, 它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射, 形成反射成回波, 碰到活动物体能产生多普勒效应。

　　2.1 超声波的测距原理

　　超声测距使用脉冲反射式, 即利用超声的反射特性。如图1所示, 超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波, 在发射时刻的同时开始计时。超声波在空气中传播, 途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为C=340m/s, 根据计时器记录的时间t, 就可以计算出发射点距障碍物的距离(S), 即:S=C*t/2。

　　2.2 系统主要考虑参数

　　2.2.1 声速

　　声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度、杂质含量和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式 为V=331.4+0.607T(mm/ms), 式中, T是温度。由于该测距系统用于室内测量, 且量程也不大, 温度可以看作定值。在常温下, 声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为340mm/ms。

　　2.2.2 发射脉冲个数

　　发射脉冲个数决定了测距仪的测量盲区, 也影响测量精度, 同时与信号的发射能量有关。减少发射脉冲个数, 可以提高测量精度, 减小测量盲区, 但同时也减小了发射能量, 对接收回波不利。但根据实际的经验, 过多的脉冲个数会增加测量盲区, 对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中, 比较了1个40KHz脉冲方波; 5个40KHz脉冲方波; 10个40KHz 脉冲方波; 30个40KHz脉冲方波的发射脉冲长度作为发射信号后的接收信号, 最终选用5个40KHz脉冲方波的发射脉冲长度。此时, 从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。