隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,對測距的研究和應(yīng)用日益增多,比如激光測距和超聲波測距等等。其中超聲波測速存在很大的優(yōu)勢,有非常強(qiáng)的指向性,而且能量消耗慢,在介質(zhì)中傳播速度快,有非常強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,不易被干擾,而被廣泛應(yīng)用。
超聲波測速多應(yīng)用于近距離非接觸式測量,如機(jī)器人定位,管道長度的測量等應(yīng)用中,同時(shí)在漫反射中和惡劣環(huán)境中也有應(yīng)用。超聲波還具有非接觸性和非破壞性的優(yōu)勢,這些優(yōu)勢決定了它普遍適應(yīng)性,它在醫(yī)療,材料科學(xué)等領(lǐng)域中也是不可或缺的。
一、超聲波簡介
頻率被定義為單位時(shí)間內(nèi)物體振動的次數(shù),它的單位是赫茲,人耳能聽到的范圍是20Hz~20000Hz,而超聲波是人耳無法聽到的,其頻率范圍在20000Hz以上,超聲波有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),方向性好,能量高,穿透性好。這都是因?yàn)槌暡〒碛袠O大的能量,因?yàn)槲矬w的震動頻率越高,能量就越大,超聲波可以在極短的時(shí)間內(nèi)震碎一只高腳酒杯。
二、超聲波測距的現(xiàn)狀與不足
超聲波在實(shí)際應(yīng)用中有很多局限性,如在超聲波測距中的某些瑕疵,會影響到它的檢測精確度:
1、超聲波的傳播介質(zhì)的影響。在空氣傳播中會造成衰減,且衰減程度比較大,而每次的測量距離不一樣,就會造成回?fù)苄盘柕钠鸱霈F(xiàn)測量誤差;
2、超聲波接收方面的局限性。超聲波在接收過程中會被展寬,這就會影響超聲波脈沖回?fù)艿姆€(wěn)定性,進(jìn)而影響測距的分辨率造成測量結(jié)果不準(zhǔn)。
3、外界環(huán)境因素也會影響超聲波測距的精確度。
這些因素造成超聲波的使用有非常大的局限性,使其不易廣泛應(yīng)用。
國內(nèi)外對超聲波測距的理論研究:
最初的超聲研究起源于1879年的氣哨實(shí)驗(yàn),1912年,在一艘豪華游輪觸礁沉沒后,人們提出用超聲波測距。在1988年,廈門大學(xué)童峰,許天源,許天增,合力建立了起伏模型,對檢測窗進(jìn)行了算法,均取得了較好的效果。
超聲波測量系統(tǒng)通過幾十年的發(fā)展,吸收了其他多種學(xué)科的知識體系,如電子電路技術(shù),傳感器技術(shù)等,現(xiàn)已成為一門綜合性的研究,它的研究成果不斷被應(yīng)用于生產(chǎn),生活中,為人們提供了科學(xué)技術(shù)的保障。
三、超聲波測速原理
首先使用超聲波測試儀向被測物體發(fā)出物理射線,同時(shí)開始計(jì)時(shí)該射線在空氣中進(jìn)行傳播,遇到障礙物就會反彈回來,這時(shí)候由接收器對反射回來的超聲波進(jìn)行接收,同時(shí)停止計(jì)時(shí),對檢測出的時(shí)間和速度進(jìn)行記錄,用速度、時(shí)間和距離之間的關(guān)系,就能很容易的計(jì)算出距離。
被測速率的計(jì)算公式為:D=?ct
式中:c為超聲波傳播速度,t為從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。
常用的超聲波測速方法:
目前,有很多的測距方案,比如激光測距,超聲波與其相比,時(shí)間測量精確度較低,而且超聲波測距系統(tǒng)簡單易得,計(jì)算簡單,而且不受空氣,天氣能見度的影響,在各種場合都能應(yīng)用。
1、相位檢測法:一種是通過發(fā)射不同頻率的超聲波來實(shí)現(xiàn)的,另一種是通過單一的超聲波探頭進(jìn)行檢測,此方法測距適用于一周期以內(nèi),且精度很高。
2、幅值檢測法:先發(fā)射一定頻率的超聲波,接收到的超聲波的脈沖強(qiáng)度,可以用反射進(jìn)行檢測,進(jìn)而求得目標(biāo)距離,這種方法由于空氣中雜質(zhì)太多,精確度和穩(wěn)定性易受影響。
3、時(shí)間差法:超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,并且開始計(jì)時(shí),碰到障礙物時(shí)立即返回來,超聲波接收到信號,立即停止計(jì)時(shí)。通過計(jì)算檢測得到的時(shí)間,和當(dāng)時(shí)的聲速,就可以計(jì)算出距離。
四、超聲波測距的影響因素
1、溫度因素
在超聲波速度影響因素中,溫度是主要因素之一,不同的溫度會給超聲波傳送速度造成很大的影響,且這種影響是成正比例的,溫度越高,傳播速率就越高,反之亦然,所以使用超聲波測距時(shí),應(yīng)注意溫度的影響,并給予溫度補(bǔ)償,尤其是在測速過程中,對溫度的測量要非常精確,充分排除溫度因素影響。減少測速誤差。
2、超聲波發(fā)射與傳播角度的因素
當(dāng)超聲波發(fā)射時(shí),會存在一個(gè)角度,它與被測物體不一定是垂直90度的,那么它射出光束和接收到反射回來的光就存在誤差,在后期要注意校正。
3、衰減的因素
在空氣中,超聲波在空氣介質(zhì)中,傳播中受到擴(kuò)散,散射的影響,其強(qiáng)度隨著傳播的增加而衰減。
4、其他因素
在超聲波測距的時(shí)候,它的環(huán)境和測量工具不可避免的存在誤差,無法達(dá)到高精度的測量。比如障礙物的質(zhì)地不同,所以超聲波被反射回來的力量也不同,而且所采取的換能器的不同,其靈敏度和時(shí)間差的計(jì)算也會對測量結(jié)果產(chǎn)生不可避免的影響。
五、超聲波測距的改進(jìn)方法
超聲波測距系統(tǒng)的組成比較復(fù)雜,是由單片機(jī),超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,觸摸按鍵控制電路,和溫度補(bǔ)償電路,顯示電路組成的,缺一不可,其中單片機(jī)是系統(tǒng)核心。
在測量過程中,空氣會對結(jié)果產(chǎn)生影響,因此要加強(qiáng)對外部空氣的實(shí)時(shí)檢測,校準(zhǔn)超聲波的傳播速度。在超聲波的接收模塊里,要增加時(shí)間增益補(bǔ)償電路和峰值時(shí)間檢測電路,信號通過處理,可正確檢測時(shí)間,提高測量的精確度。電容觸摸按鍵作為控制按鍵,取代了機(jī)電開關(guān),避免了控制按鍵由于環(huán)境的影響而導(dǎo)致檢測的失效。
超聲波測距系統(tǒng)可改進(jìn)方面:
1、環(huán)境的溫度,要加強(qiáng)對環(huán)境溫度的監(jiān)測。
2、要盡量選擇高精度的儀器,避免誤差。
3、出現(xiàn)誤差時(shí),要考慮多方面的因素。
六、總結(jié)和分析
這次通過對超聲波測距的原理及測量過程進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其存在的問題,并提出來了解決方案,在其過程中,發(fā)現(xiàn)超聲波測速具有廣泛的前景,要加強(qiáng)對其的研究和談討。
超聲波測速中存在的誤差有多種原因,包括設(shè)計(jì)方案的原因,環(huán)境的問題等。因此,為了得到準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù),必須要結(jié)合實(shí)際情況,排除多余因素,減少誤差。
2018-05-30 11:47:26 4931 http://www.yiqi.com/citiao/detail_631.html 熱門標(biāo)簽: