提高超聲測(cè)距精度的設(shè)計(jì)

2004年7月A版

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。

關(guān)鍵詞：  脈沖回波法；測(cè)距精度；超聲速度；回波時(shí)間

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(kù)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