一、超聲波測(cè)距的原理

超聲波測(cè)距是從發(fā)射開始計(jì)時(shí)，當(dāng)聲波遇到障礙物時(shí)返回，得到時(shí)間t，這就是渡越時(shí)間，然后再根據(jù)公式計(jì)算出距離s。設(shè)測(cè)量距離為s，往返時(shí)間差為t，超聲波的速度為v，則有s=tv/2。

因?yàn)槌暡ㄒ矊儆诼暡ǖ姆懂?，它的速度v與空氣的濕度、壓強(qiáng)和溫度都有很大的關(guān)系。例如：當(dāng)溫度上升10攝氏度，則它的速度會(huì)增加6m/s。如果在使用時(shí)溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速v是基本不變的，計(jì)算時(shí)取v為340m/s。如果測(cè)距的精確度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正。

超聲波測(cè)距的3種方法：

1、相位檢測(cè)法：精度高，但是檢測(cè)范圍有一定的局限性;

2、聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響;

3、渡越時(shí)間檢測(cè)法：簡(jiǎn)單方便，其功能很容易實(shí)現(xiàn)。

二、國(guó)內(nèi)外超聲波測(cè)距技術(shù)研究進(jìn)展

近年來，由于各種超聲波檢測(cè)儀器大量問世，帶動(dòng)了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的長(zhǎng)足發(fā)展。目前在超聲波回波信號(hào)的處理方法上、新型的超聲波換能器的研發(fā)上、超聲波發(fā)射脈沖的選取三個(gè)方面，做了大量的研究工作，并針對(duì)影響超聲波測(cè)距的因素，提出了溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)等措施，提高了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。但是作為超聲波測(cè)距系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，回波信號(hào)處理仍然是目前研究的重點(diǎn)方向。

1、國(guó)內(nèi)超聲波測(cè)距技術(shù)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)在超聲波測(cè)距儀器上的研究也步入了國(guó)際先進(jìn)行列。其中，由某研究院設(shè)計(jì)的型號(hào)為2000A的超聲分析檢測(cè)裝置，是一個(gè)智能化測(cè)量?jī)x器，在它的內(nèi)部自帶一個(gè)微處理器，所有的操作全部在微處理器的控制之下，其測(cè)試波形清晰，狀態(tài)穩(wěn)定，且操作簡(jiǎn)單，并具有斷電存貯的功能。其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，齊全的使用功能，且在設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新和突破都遙遙領(lǐng)先與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品，并進(jìn)入了國(guó)際領(lǐng)先行列。

在2012年第1期《儀表技術(shù)與傳感器》發(fā)表的“新型嵌入式超聲波測(cè)距系統(tǒng)”一文中，設(shè)計(jì)了一種以C8051F320單片機(jī)、反激變換器和專用集成電路為核心元件的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，它可以增大超聲波的發(fā)射頻率和準(zhǔn)確接收回波信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明這種系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，線性度好，性能穩(wěn)定，成本低等特點(diǎn)可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

在2012年第33期《廣西物理》發(fā)表的“基于溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)”一文中，設(shè)計(jì)了一個(gè)超聲波測(cè)距系統(tǒng)，它包含AT8951單片機(jī)，發(fā)射、接收電路，溫度補(bǔ)償電路及顯示電路等5部分。對(duì)溫度、距離衰減及時(shí)間差測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)，穩(wěn)定，精度較高，最大誤差小于2cm。

2、國(guó)外超聲波測(cè)距技術(shù)研究進(jìn)展

國(guó)外在超聲波測(cè)距領(lǐng)域起步較早，尤其在超聲波測(cè)距精度方面做了大量的研究，其中在2012年第7期《Journal of Networks》發(fā)表的“The Optimized Pseudorandom Digital Modulation Excitation Sequences for Multichannel Ultrasonic Ranging system”一文中，提出了采用多通道超聲波傳感器隨機(jī)數(shù)字調(diào)制激勵(lì)序列，以避免串?dāng)_。充分利用了傳感器的帶寬來配置傳感器的調(diào)制參數(shù)，它可以使八通道超聲波測(cè)距系統(tǒng)協(xié)同工作，并無串?dāng)_，具有最大誤差不超過4.1cm的精度。

在2013年第60卷《Ferroelectrics and Frequency Control》發(fā)表的“Time-of-flight measurement techniques for airborne ultrasonic ranging”一文中，對(duì)超聲測(cè)距方法的不同技術(shù)和局限性進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)對(duì)測(cè)量精度和可重復(fù)性進(jìn)行了討論。得出“簡(jiǎn)單的時(shí)域方法都與它們的頻域等值相關(guān)”的結(jié)論。

三、超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

㈠超聲波測(cè)距原理

超聲波是頻率在20kHz以上的聲波，屬于機(jī)械波。超聲波測(cè)距方法中，渡越時(shí)間檢測(cè)法精度較高，電路實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單。

超聲波換能器發(fā)射面浸入介質(zhì)1，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器向介質(zhì)1發(fā)射超聲波并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)遇到與介質(zhì)1物理特性差異明顯的另一種介質(zhì)(介質(zhì)2)時(shí)，將產(chǎn)生較強(qiáng)的回波，該回波傳到換能器，驅(qū)動(dòng)其產(chǎn)生諧振并產(chǎn)生電信號(hào)，通過放大、濾波、比較后被測(cè)距電路捕獲，停止計(jì)時(shí)。計(jì)算超聲波往返所用時(shí)間t，測(cè)量待測(cè)點(diǎn)的聲速v，即待測(cè)距離L。

超聲波測(cè)距原理如圖1所示。根據(jù)數(shù)學(xué)幾何關(guān)系，測(cè)量距離L表示為L(zhǎng)=Scosα，夾角α表示為α=arcsin(H/S)，超聲波傳播距離S表示為S=?vt，由此推出L=?vtcos[arcsin(H/S)]。當(dāng)測(cè)量距離L遠(yuǎn)大于H時(shí)，則可近似為L(zhǎng)=?vt。

㈡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要包括主控模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、液晶顯示模塊、電源供電模塊、標(biāo)準(zhǔn)擋板，總體方案如圖2所示。

1、超聲波發(fā)射模塊

超聲波液位測(cè)量使用收發(fā)一體式超聲波換能器，選用43mm的小束角超聲波傳感器，中心頻率為40kHz，波束角約為10°，測(cè)量范圍為20～10000 mm。其發(fā)射電路如圖3所示。單片機(jī)P1.1引腳通過軟件編程產(chǎn)生每周期8個(gè)激勵(lì)脈沖信號(hào)，控制三極管Q1的通斷，由電源直接驅(qū)動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈。在變壓器副邊線圈上，并聯(lián)兩個(gè)反向二極管D1和D2，防止超聲回波信號(hào)經(jīng)線圈與地形成回路，超聲回波信號(hào)幅值為mV級(jí)，二極管導(dǎo)通電壓為0.7V，因此回波信號(hào)只能進(jìn)入接收模塊。

2、超聲波接收模塊

①預(yù)處理電路

預(yù)處理電路對(duì)回波信號(hào)的放大電路如圖4所示。電容C3和C4對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波處理;二極管D3和D4將發(fā)射信號(hào)點(diǎn)位鉗制在0.7V，mV級(jí)的回波信號(hào)不受影響進(jìn)入后續(xù)電路;電阻R6用于調(diào)偏流，防止飽和失真;三極管Q2對(duì)信號(hào)功率放大后進(jìn)入濾波放大電路。

②濾波放大電路

濾波放大電路如圖5所示。放大電路采用二級(jí)放大器，其中，第一級(jí)放大電路必須有足夠大的輸入阻抗，因此采用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器LM224;R9用于調(diào)節(jié)直流偏置電壓;R12并聯(lián)的可變電阻R10用于調(diào)試。第二級(jí)放大電路采用可編程增益放大器PGA112，可變?cè)鲆鏋?、2、4、8、16、32、64、128，該芯片與單片機(jī)接口只需要連接片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，通信方式為SPI總線方式。

回波信號(hào)含大量噪聲信號(hào)，一部分是超聲波換能器接收到空氣中的雜波信號(hào)，主要是空氣中低頻噪聲;一部分是電路的高頻噪聲，如電源、晶體管、運(yùn)放等，因此設(shè)計(jì)帶通濾波器。

③電壓比較電路

濾波放大電路輸出信號(hào)通過第一級(jí)LMV385進(jìn)行電壓跟隨，由第二級(jí)LMV385進(jìn)行電壓比較，當(dāng)輸入電位高于設(shè)定電位值時(shí)，輸出低電平，該電平作為單片機(jī)外部觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生中斷，結(jié)束計(jì)時(shí)。電壓比較電路如圖6所示。

㈢誤差分析

根據(jù)超聲波測(cè)距公式可知，主要誤差來自兩個(gè)方面：聲速測(cè)量誤差、超聲波信號(hào)傳播時(shí)間誤差?；诖?，從以下兩個(gè)方面對(duì)誤差進(jìn)行研究分析，并提出改進(jìn)方法。

1、聲速測(cè)量誤差

實(shí)際空氣并不是完全干燥的，而且，聲速還受風(fēng)速、壓強(qiáng)等因素影響，因此測(cè)量結(jié)果存在誤差。基于環(huán)境的不確定性，可以利用擋板實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前聲速，將影響因素都考慮在內(nèi)，從而提高測(cè)量精度，且適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。其擋板安裝如圖7所示。

原理是預(yù)先設(shè)定擋板到超聲波換能器的固定距離，如設(shè)定1m，則換能器1、2同時(shí)發(fā)射超聲波，換能器1發(fā)射的超聲波遇擋板反射，換能器2發(fā)射的超聲波遇水面反射，分別對(duì)擋板發(fā)射時(shí)間和水面反射時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，兩個(gè)時(shí)間比值即換能器到達(dá)水面的距離。

2、超聲信號(hào)傳播時(shí)間誤差

由于超聲波換能器的機(jī)械慣性，其發(fā)射聲波起振逐步由小到大，首波信號(hào)的幅值很小，且隨距離變化而變化;另在反射面反射過程中，信號(hào)會(huì)損失一部分，因此用常規(guī)方法很難捕捉到回波前沿。本文提出通過多次增益變化判斷第一回波前沿返回時(shí)間，思路如下：

①對(duì)信號(hào)設(shè)置1倍增益，檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間t1;對(duì)信號(hào)設(shè)置2倍增益，檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間t2。以此類推，每次增益為前一次的2倍，分別檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間t3、t4、t5、t6、t7、t8;

②求相鄰增益之間時(shí)間差值，即t12=t1-t2，…，t78=t7-t8;

③判斷差值與換能器諧振周期的大小關(guān)系，從而確定第一回波前沿位置，即從t12開始若有2個(gè)連續(xù)差值小于諧振頻率的一半，則這3個(gè)相鄰傳播時(shí)間都是檢測(cè)到1個(gè)周期內(nèi)，因此可以判斷檢測(cè)到第一回波前沿。判斷依據(jù)是根據(jù)回波波形，除第一回波周期最大幅值遠(yuǎn)大于噪聲幅值外，后續(xù)回波周期最大幅值不會(huì)遠(yuǎn)大于前一個(gè)周期。

㈣實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度為25℃，超聲波換能器頻率為40kHz，在2000mm范圍內(nèi)，水位檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)液位變化值作對(duì)比。

由于測(cè)量誤差具有隨機(jī)性，在程序設(shè)計(jì)時(shí)可讓系統(tǒng)進(jìn)行3次測(cè)量，并對(duì)3次測(cè)量結(jié)果求平均值來減小系統(tǒng)隨機(jī)誤差。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，超聲波液位測(cè)距結(jié)果個(gè)別數(shù)據(jù)超出了4mm檢測(cè)精度，但通過3次采集求平均值可以減小測(cè)量誤差。最終，檢測(cè)均值與標(biāo)準(zhǔn)液位值之間的差均小于4mm，實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)距，滿足了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的測(cè)量需求。

㈤結(jié)論

在全面分析超聲波測(cè)距引起誤差原因的基礎(chǔ)上，提出了通過增加標(biāo)準(zhǔn)擋板提高超聲波信號(hào)速度的測(cè)量精度，通過多次增益校正確定第一超聲回波前沿，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路和軟件程序，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該系統(tǒng)測(cè)距精度的改進(jìn)。

在測(cè)量超聲波傳輸時(shí)間過程中，超聲波換能器的諧振頻率、比較器的閾值、可編程增益放大器的增益級(jí)數(shù)以及每級(jí)之間的倍數(shù)是測(cè)量分辨率的3個(gè)重要因素。所述研究方法還有待于改進(jìn)，例如標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距的校正，即如何應(yīng)對(duì)測(cè)量超聲波換能器與擋板之間的距離不等于實(shí)際距離1m的情況。