提高超聲測(cè)距精度的設(shè)計(jì)

1、提高超聲測(cè)距精度的設(shè)計(jì)        摘   要：  本文分析了溫度對(duì)超聲波聲速的影響，超聲波回波檢測(cè)對(duì)超聲波傳播時(shí)間的影響，超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)試精度的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于汽車和貨車等車輛的車載超聲測(cè)距儀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注意以上三方面的因素能夠提高超聲測(cè)距精度。 引言超聲波測(cè)距由于其在使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。從原理上講，超聲測(cè)距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中

2、脈沖回波法測(cè)距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間ts，在已知超聲波聲速Cs的前提下，可計(jì)算被測(cè)物的距離D，即：              (1)由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測(cè)量。這些因素使超聲波測(cè)距的精度和范圍受到影響。本文從引起超聲測(cè)距誤差的原因入手，分析了溫度對(duì)超聲波聲速的影響；回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影

3、響和超聲傳感器所加電壓對(duì)測(cè)量精度和范圍的影響。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出以89C52單片機(jī)為核心，采用40KHz壓電超聲傳感器，應(yīng)用于長(zhǎng)大汽車和貨車等車輛倒車檢測(cè)的車載超聲測(cè)距儀。 超聲測(cè)距誤差因素分析溫度對(duì)超聲聲速的影響空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響，即：              (2)其中B為氣體的彈

4、性模量，r為氣體的密度。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得：B=g·r                (3)其中g(shù)為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為1.40，P為氣體的壓強(qiáng)。氣體的壓強(qiáng)為：          (4)其中R為普適常量 8.314kg/mol，T為氣體溫度K(絕對(duì)溫度)，M為氣體分子量，空氣為28.8×10-3 kg/mol。所以 &

5、#160;     (5)由(5)可知，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系。例如：20時(shí)， T=293.15， CS=344.2 m/s；40時(shí)， T=313.15，CS=355.8 m/s；-20時(shí),  T253.15，CS=319.9 m/s；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測(cè)物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過程，超聲波會(huì)有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。設(shè)在距離超聲接收器x處有被測(cè)物，則空氣

6、中傳播的超聲波波動(dòng)方程描述為：       (6)其中A為超聲傳感器接收的振幅；A0為超聲傳感器初始振幅；為衰減系數(shù)；x 為超聲波傳播距離； w角頻率；k為波數(shù)。衰減系數(shù)。其中b為空氣介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。由此可見，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時(shí)超聲波頻率的過高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場(chǎng)區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測(cè)量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，要設(shè)計(jì)較大放大倍數(shù)(萬倍級(jí))和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測(cè)。超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響制作超聲傳

7、感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測(cè)距常用壓電材料傳感器，例如TR40壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值會(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變S與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為：S=d·E               (7)其中d為應(yīng)變電場(chǎng)常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響超聲波幅值。這些會(huì)直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量

8、提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)溫度、回波和所加脈沖電壓對(duì)超聲測(cè)距精度的影響，在設(shè)計(jì)汽車和貨車等車輛倒車檢測(cè)的車載超聲測(cè)距儀時(shí)，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設(shè)置了發(fā)射、接收、溫度測(cè)量和顯示報(bào)警四部分構(gòu)成了超聲測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)裝置的中心控制和信號(hào)處理單元為單片機(jī)89C52，超聲傳感器采用TR40(40 kHz)收發(fā)一體超聲傳感器。發(fā)射電路發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHz脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路，由單片機(jī)P1.1口控制其是否工作。其電路圖如圖1所示。選擇不同阻值的電阻，使R3>>R1+R2，并

9、調(diào)節(jié)R2產(chǎn)生的脈沖頻率為：             (8)根據(jù)公式(7)選擇C1的大小，然后再選擇R1、R2、 R3的大小。發(fā)射電路主要任務(wù)是提高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開關(guān)管構(gòu)成。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。接收電路接收電路的主要任務(wù)是檢測(cè)回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)量。接收部分電路由檢波電路、

10、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請(qǐng)中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級(jí)和二級(jí)濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。其電路如圖2所示。圖2中，R11、R12、C13、C14、R15和運(yùn)算放大器Amp1A組成了一級(jí)濾波放大電路；R21、R22、C23、C24、R25和運(yùn)算放大器Amp1B組成了二級(jí)濾波放大電路。溫度測(cè)量電路由于聲速和溫度有關(guān)，為了提高測(cè)量精確度，

11、設(shè)置了溫度測(cè)量電路。溫度傳感器可以采用AD590，AD590輸出為電流信號(hào)，經(jīng)電流電壓變換電路變成電壓信號(hào)；經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)變換成頻率信號(hào)，輸出到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器中。AD590測(cè)溫電路如圖3所示。軟件設(shè)計(jì)超聲測(cè)距儀軟件控制著系統(tǒng)的工作，其流程如圖4所示。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作裝置后，進(jìn)行了試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。由表中的數(shù)據(jù)可見，超聲測(cè)距儀在205000mm之間誤差范圍在3.5%以內(nèi)，在50007500mm之間，誤差有所增加。整個(gè)7m測(cè)量范圍內(nèi)誤差在5%以內(nèi)。 結(jié)語使用脈沖回波法測(cè)量距離，在考慮溫度對(duì)聲速度的影響、回波檢測(cè)對(duì)超聲傳播時(shí)間的影響以及超聲傳感器所加電壓對(duì)壓電轉(zhuǎn)換效率的影響時(shí)，超