一种高精度超声波测距仪测量精度的研究
超声波测距实验报告
超声波测距实验报告1. 实验目的1.掌握超声波测距的基本原理；2.熟悉超声波测距仪器的使用；3.培养实验操作能力和数据处理能力。
2. 实验原理超声波测距是利用超声波在空气中的传播速度和反射原理，通过测量超声波发射和接收之间的时间间隔来计算被测物体与测距仪之间的距离。
超声波在空气中的传播速度约为 340 m/s。
3. 实验器材与步骤3.1 器材1.超声波测距仪；2.连接线；3.测量物体。
3.2 步骤1.连接超声波测距仪与电源；2.打开超声波测距仪，进行自检；3.将测量物体放置在合适的位置；4.调整超声波测距仪的测量范围；5.记录测量数据；6.分析数据，计算距离。
4. 实验数据与分析本实验共进行五次测量，记录数据如下：序号 | 测量距离（cm） | 误差（cm） |— | ———— | ——– |1 | 150.0 | 2.0 |2 | 152.5 | 1.5 |3 | 148.0 | 2.0 |4 | 151.0 | 1.0 |5 | 149.5 | 1.5 |平均距离 = (150.0 + 152.5 + 148.0 + 151.0 + 149.5) / 5 = 150.0 cm最大误差 = 2.0 cm最小误差 = 1.0 cm5. 实验总结本次实验掌握了超声波测距的基本原理和操作方法，通过对测量数据的分析，得出被测物体与测距仪之间的平均距离为 150.0 cm，最大误差为 2.0 cm，最小误差为 1.0 cm。
实验结果表明，超声波测距技术在实际应用中具有较高的准确性和可靠性。
6. 建议与改进1.在实验过程中，要确保测量物体与测距仪之间的距离在测距仪的测量范围内；2.提高实验操作技巧，减小人为误差；3.后续可以尝试使用不同类型的超声波测距仪进行实验，比较其性能和精度。
7. 实验拓展7.1 超声波测距的应用领域超声波测距技术广泛应用于工业、农业、医疗、交通、安防等领域，例如：1.工业领域：测量物体的尺寸、厚度、距离等；2.农业领域：测量土壤湿度、作物高度等；3.医疗领域：测量人体内部器官的距离、厚度等；4.交通领域：车辆测距、速度检测等；5.安防领域：监控设备、报警系统等。
基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计
基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计一、本文概述超声波测距技术因其非接触、高精度、实时性强等特点，在机器人导航、车辆避障、工业测量等领域得到了广泛应用。
STM32单片机作为一种高性能、低功耗的嵌入式系统核心，为超声波测距系统的设计提供了强大的硬件支持。
本文旨在设计一种基于STM32单片机的高精度超声波测距系统，以满足不同应用场景的需求。
二、超声波测距原理本部分将介绍超声波测距的基本原理，包括超声波的产生、传播、接收以及距离的计算方法。
同时，分析影响超声波测距精度的主要因素，为后续系统设计提供理论基础。
三、系统硬件设计3、1在设计基于STM32单片机的高精度超声波测距系统时，我们遵循了“精确测量、稳定传输、易于扩展”的总体设计思路。
我们选用了STM32系列单片机作为系统的核心控制器，利用其强大的处理能力和丰富的外设接口，实现了对超声波发射和接收的精确控制。
在具体设计中，我们采用了回波测距法，即发射超声波并检测其回波，通过测量发射与接收之间的时间差来计算距离。
这种方法对硬件的精度和稳定性要求很高，因此我们选用了高精度的超声波传感器和计时器，以确保测量结果的准确性。
我们还考虑到了系统的可扩展性。
通过STM32的串口通信功能，我们可以将测量数据上传至计算机或其他设备进行分析和处理，为后续的应用开发提供了便利。
我们还预留了多个IO接口，以便在需要时添加更多的传感器或功能模块。
本系统的设计思路是在保证精度的前提下，实现稳定、可靠的超声波测距功能，并兼顾系统的可扩展性和易用性。
31、1.1随着物联网、机器人技术和自动化控制的快速发展，精确的距离测量技术在各个领域的应用越来越广泛。
超声波测距技术作为一种非接触式的距离测量方式，因其具有测量精度高、稳定性好、成本相对较低等优点，在工业自动化、智能家居、机器人导航、安防监控等领域得到了广泛应用。
STM32单片机作为一款高性价比、低功耗、高性能的嵌入式微控制器，在智能设备开发中占据重要地位。
超声波测距实验方法与精度控制
超声波测距实验方法与精度控制超声波测距是一种常见的测量距离的方法，它利用超声波在空气中传播的特性来测量目标物体与测量设备之间的距离。
在这篇文章中，我们将探讨一些常见的超声波测距实验方法以及如何控制测量的精度。
首先，让我们了解一下超声波测距的基本原理。
超声波是一种高频声波，其频率通常在20kHz至100kHz之间。
超声波在空气中传播的速度约为343米/秒，而且能够在相对较远的距离内传播。
当超声波遇到目标物体时，一部分声波会被反射回来，并被接收器接收到。
根据超声波的传播时间和传播速度，我们可以计算出目标物体与测量设备之间的距离。
一种常见的超声波测距实验方法是使用超声波传感器。
这种传感器通常由一个发射器和一个接收器组成。
发射器将超声波发送出去，然后接收器接收到反射的声波。
通过测量超声波的传播时间，我们可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
这种方法可以广泛应用于自动测距和避障系统中。
为了保证测量的精度，我们需要注意几个因素。
首先是超声波的传播速度。
理想情况下，超声波在空气中的传播速度是恒定的，但实际上会受到温度、湿度等环境因素的影响。
在实验中，我们可以通过校准传感器来调整超声波的传播速度，以提高测量的准确性。
另一个影响测量精度的因素是信号的干扰。
超声波测距设备通常会受到外部噪声的影响，如其他电子设备的干扰或者周围环境的声波干扰。
为了减小信号干扰，我们可以使用滤波器来滤除高频或低频噪声，使得接收到的信号更加清晰。
此外，超声波测距还受到目标物体的形状和材质的影响。
不同形状和材质的物体对超声波的反射和吸收情况有所不同，这会影响测量的精度。
在实验中，我们可以通过测量不同形状和材质的物体来研究这种影响，并进行相应的修正。
在进行超声波测距实验时，我们还需要注意测量的范围。
超声波的传播距离是有限的，而且会随着距离的增加而衰减。
因此，在选择超声波测距设备时，我们需要根据实际需求确定测量范围，并选择适合的设备。
此外，为了提高测量精度，我们还可以使用多个传感器进行测量，并取其平均值来进行校正。
高精度超声波测距系统设计
高精度超声波测距系统设计康雅萍;刘震宇;郭鑫;张立【摘要】在市场普遍使用的超声波测距系统的基础上,针对普遍存在的缺陷,从硬件和软件两方面对超声波测距系统进行了改进.在超声波测距发射和接收部分分别创新性地使用了MAX232和双电压比较器,用于提高测量精度,减小盲区.为了排除环境因素对声速的影响,系统加入了声速校验功能.通过实验验证,本系统有效地减小了盲区,增大了量程,可测范围为2～400 cm,提高了测量精度,保证误差在2～6 mm 左右.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2010(027)003【总页数】4页(P61-64)【关键词】超声波;测距;温度校验;电压比较器【作者】康雅萍;刘震宇;郭鑫;张立【作者单位】北京林业大学理学院,北京,100083;北京林业大学理学院,北京,100083;北京林业大学理学院,北京,100083;北京林业大学理学院,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】TB51超声波测距是一种性价比较高的非接触测距方法。
超声波的指向性强,能量衰减慢,在介质中传播距离远,其回波容易被检测出来[1],被广泛应用于现代工业生产过程中,例如液位的测量、煤层的测厚、机器人定位、辅助视觉系统、车辆的定位与导航、汽车防撞雷达、井深及管道长度测量等方面。
然而,目前市场上一般的超声波测距系统,精度不高,缺少温湿度模块以修正声速,盲区较大(达 20 cm),有效量程短(低于3 m)。
在本文针对以上缺点而设计的超声波测距装置中,创新地加入了温度测量模块以修正声速,双电压比较器电路和特殊算法提高了测量精度,MAX232发射电路优化了超声波测距系统的性能。
1 硬件设计针对温度和超声波传播中的衰减对测量精度的影响,从硬件和软件两方面综合考虑,设计了如图1所示的超声波测距系统。
该系统选用超声传感器T R40-16,采用单片机产生40 kHz的方波,并通过MAX232的电压汞放大信号,驱动超声波传感器产生40 kHz的超声波。
超声波测距实验报告
超声波测距实验报告电子综合实验课程报告课题名称:超声测距仪专业:生物医学工程班级:,,级生物医学,,班姓名:敖一鹭刘晓莎尹曼邹燕一引言随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。
但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。
和其他方法相比，如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。
然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。
一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差;二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。
其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题，提高超声波测距的精度，具有较大的现实意义。
为了今后能够为社会做出更多有益的发明发现，超声测距课程设计应运而生。
二课题要求以单片机AT89C51为中心控制单元，配以超声波发射、接收装置，实现超声波发射及接收其遇到障碍物发生反射形成的回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，设计出一套基于单片机的脉冲反射式超声波测距系统，利用单片机进行操作控制，用数码管作输出显示，设计发射、接收、检测、显示硬件电路和测距系统软件。
三基本要求1 能实现测距操作;2 能清晰稳定地显示测量结果, 具有测量完成提示;3 能正确实现单次测量;4 测量范围在0.5——2m;5 测量精确度2cm。
超声波测距仪的设计方案
软件算法优化
实验结果有效
采用时间戳和温度补偿的方法，提高了超 声波测距的精度和稳定性。
经过实验验证，该超声波测距仪的测量误 差在3mm以内，满足设计要求。
研究不足与展望
实验环境限制 硬件性能提升 软件算法优化 应用领域扩展
本次实验主要在室内环境下进行，对于室外复杂环境下的测量 精度和稳定性还需要进一步验证。
[2] 王晓华, 钱燕. 基于单片机的超声波测距 仪设计[J]. 仪表技术与传感器, 2020,(04): 56-60.
[3] 张志超, 王琳. 嵌入式超声波测距 仪的设计与实现[J]. 仪表技术与传感 器, 2021,(01): 78-82.
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可以考虑采用更高性能的单片机和传感器，以提高超声波测距 的精度和响应速度。
可以进一步优化软件算法，例如加入目标识别和跟踪功能，提 高超声波测距的应用范围。
超声波测距技术在机器人避障、自动驾驶、安防等领域都有广 泛的应用前景，可以进一步拓展应用领域。
07 参考文献
参考文献
[1] 张涛, 王超. 超声波测距仪的设计与 实现[J]. 电子测量技术, 2019, 42(11): 105-109.
计算距离
通过测量超声波从发射到 接收的时间，计算出距离 。时间乘以声速得到距离 。
数据处理及存储
数据处理
对采集到的数据进行处理，如滤波、去噪等，以提高测量精度。
数据存储
将处理后的数据存储到存储器中，方便后续分析和处理。
人机交互界面设计
显示测量结果
通过液晶显示屏或LED显示屏显 示测量结果。
按键输入
研究超声波测距仪的设计方案 有助于提高测量精度和可靠性 ，推动相关领域的发展。
超声测距实验报告
超声测距实验报告一、实验目的本次超声测距实验的主要目的是研究和掌握利用超声波进行距离测量的原理和方法，并通过实际操作和数据分析，评估测量系统的精度和可靠性。
二、实验原理超声波是一种频率高于 20kHz 的机械波，其在空气中传播时具有良好的指向性和反射特性。
超声测距的基本原理是利用超声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间差来计算距离。
具体计算公式为：距离＝（超声波传播速度×传播时间）／ 2 。
在常温常压下，空气中超声波的传播速度约为 340 米/秒。
通过测量超声波从发射到接收的时间间隔 t，就可以计算出距离。
三、实验仪器与材料1、超声测距模块：包括发射探头和接收探头。
2、微控制器：用于控制超声模块的工作和处理数据。
3、显示设备：用于显示测量结果。
4、电源：为整个系统供电。
5、障碍物：用于反射超声波。
四、实验步骤1、硬件连接将超声测距模块的发射探头和接收探头正确连接到微控制器的相应引脚。
连接电源，确保系统正常供电。
将显示设备与微控制器连接，以便显示测量结果。
2、软件编程使用相应的编程语言，编写控制超声模块工作和处理数据的程序。
实现测量时间的计算和距离的换算，并将结果输出到显示设备。
3、系统调试运行程序，检查系统是否正常工作。
调整发射功率和接收灵敏度，以获得最佳的测量效果。
4、测量实验将障碍物放置在不同的距离处，进行多次测量。
记录每次测量的结果。
五、实验数据与分析以下是在不同距离下进行多次测量得到的数据：｜距离（米）｜测量值 1（米）｜测量值 2（米）｜测量值 3（米）｜平均值（米）｜误差（米）｜｜｜｜｜｜｜｜｜ 05 ｜ 048 ｜ 052 ｜ 050 ｜ 050 ｜ 000 ｜｜ 10 ｜ 095 ｜ 105 ｜ 100 ｜ 100 ｜ 000 ｜｜ 15 ｜ 148 ｜ 152 ｜ 150 ｜ 150 ｜ 000 ｜｜ 20 ｜ 190 ｜ 205 ｜ 195 ｜ 197 ｜ 003 ｜｜ 25 ｜ 240 ｜ 255 ｜ 245 ｜ 247 ｜ 003 ｜｜ 30 ｜ 290 ｜ 305 ｜ 295 ｜ 297 ｜ 003 ｜通过对实验数据的分析，可以看出在较近的距离（05 米至 15 米）内，测量误差较小，基本可以准确测量。
高精度超声波测距方法的研究
高精度超声波测距方法的研究赵浪涛;赵永花;柴清【摘要】在超声波测距中,通常因温度和时间检测的误差,使得测距的精度不高.为提高超声波测距的精度,对传统超声测距在结构上进行了改进,实现温度补偿校正.同时,根据超声波回波信号的特征,利用Morlet复小波信号处理方法,实现回波包络峰值检测方法,准确测定传输时间,达到精确测定距离的目的,可以显著提高超声测距的精度,增强超声检测应用的可靠性.【期刊名称】《电气自动化》【年(卷),期】2015(037)003【总页数】3页(P112-114)【关键词】超声波测距;温度补偿;Morlet小波;信号处理;峰值检测【作者】赵浪涛;赵永花;柴清【作者单位】兰州工业学院,甘肃兰州730050;兰州工业学院,甘肃兰州730050;兰州工业学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TB472;TP274+.530 引言超声测距是一种非接触式的测量方法，与红外线、激光等测距方法比较，具有灵敏度高，抗声波和电磁干扰能力强，在实现上简单、成本低、可靠性高、便于安装维护等优点，因此在液位测量、机器人定位和避障、短距离无障碍长度测量、计算机视觉辅助识别等方面具有广泛的应用前景。
但常规的超声波测距普遍测量精度较低，为实现测量精度的要求，对常规测距方法进行结构改造、应用先进的Morlet复小波信号处理方式，提高超声波测距的精度，达到工业控制所容许误差范围。
1 常规超声波测距的原理及系统组成常规超声波测距的原理［1］是利用超声波发射器连续地发射出40 kHz声波信号，一旦遇到障碍物，超声波就会被反射回来，然后利用超声波接收器接收接受回波信号，利用微处理器测量出从发射超声波到接收到超声波的时间差t，根据声波在空气中的传播速度c，通过微处理器就可以计算机出从发射点障碍物的距离为d=ct。
其测量系统组成如图1所示。
图1 超声波测距系统组成2 超声波测距温度补偿校正常规超声波测距中，受到空气中环境温、湿度以及大气压的影响，声波的传输速度跟着变化，特别是环境温度的变化引起声波传输速度的影响，为了提高测量的精度，使测量具有实际工程应用前景，加装温度补偿校正装置很有必要。
基于HC-SR04_模块的高精度超声测距系统
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2023年第17期·57·文章编号：2095-6835（2023）17-0057-03基于HC-SR04模块的高精度超声测距系统王永彬（临沂科技职业学院，山东临沂276000）摘要：研究设计了一种基于HC-SR04超声传感器、单片机和LCD1602液晶模块的超声波测距系统，并利用温度补偿算法和单片机门控触发精确定时中断技术进行测距修正，保证了不同温度环境下超声测距的高精度。
同时把测量结果实时显示在LCD1602液晶屏，并在达到设定安全距离时进行声音提醒报警或驱动执行机构动作，可广泛应用于生产线上的物品位置检测、汽车倒车距离安全提醒等场合。
关键词：超声测距原理；传感器；声速温度修正；液晶显示中图分类号：TP274.5文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.17.016在实际生产和生活中，经常需要对距离（位置）进行测量，以进行距离的直接提示，或者以距离为参量进行其他物理量的计算和控制，比如计算物体的速度。
测量距离的方法有很多种，总体上看有直接测量法（如利用尺子测量）和间接测量法（如激光测距、红外线测距、超声波测距等）2种。
由于超声波波束定向指向性强，在介质中传播时能量损耗比较小[1]，特别是在空气、水中传播能达到较远的距离，因而适合利用超声波的这一特性进行距离的测量。
利用超声波测距的特点是测量过程迅速和方便，并且计算简单，测量精度高，因此被大量应用于工业场合，比如汽车的倒车雷达、移动机器人的位置确认等，都是超声波测距方式的典型应用。
1超声波测距原理超声波测距原理是利用超声波换能器的发射装置发出一定频率的超声波，超声波遇到障碍物时就会有反射波反射回来并被接收器接收，利用从发射到接收的往返时间差就可以进行距离测量，这与无线电雷达的测距原理很相似。
具体实现过程是：超声波模块的发射器向要进行测距的特定方向发射超声波，在发射开始的瞬间同步开始计时，如果没有障碍物，超声波在空气中会向前自由传播，当途中碰到障碍物阻挡时则会立即被反射回来，当反射波到达接收器时就立即停止计时操作。
超声波精确测距的研究
超声波精确测距的研究超声波测距是一种重要的无损检测技术，在工业、医疗和科研等领域具有广泛的应用价值。
随着科学技术的发展，对超声波测距的精度和稳定性的要求也越来越高。
本文将围绕超声波精确测距的研究展开，首先介绍超声波测距的背景和现状，然后提出存在的问题和相应的研究方法，最后分析实验结果并展望未来研究方向。
超声波测距的研究现状超声波测距的方法主要有时间差法、幅值法、频率法和相位法等。
其中，时间差法是最常用的方法，其原理是利用超声波传播速度与传播时间的乘积来确定距离。
目前，研究人员已经提出了多种优化时间差法测距的技术，如多普勒频移补偿、回波信号增强、噪声抑制等。
问题提出尽管现有的超声波测距方法已经取得了一定的成果，但仍存在一些问题。
首先，测距精度受到多种因素的影响，如超声波传播速度的变化、检测表面的粗糙度等。
其次，现有的方法在低噪声环境下测距效果较好，但在复杂环境下，如存在多径效应、衰减效应等时，测距精度和稳定性会受到较大影响。
因此，如何提高超声波测距的精度和稳定性是亟待解决的问题。
研究方法为了解决上述问题，本文采用了以下研究方法：1、实验设计：设计不同距离、不同材料的超声波测距实验，以模拟实际应用中的各种情况。
2、数据采集和处理：利用高精度数据采集卡和信号处理软件，获取超声波回波信号，并进行信号增强、噪声抑制等处理。
3、误差分析：通过对实验数据的分析，找出影响测距精度的主要因素，并对其进行误差分析。
实验结果与分析实验结果表明，超声波测距的精度和稳定性得到了显著提高。
在近场区域内，测距误差小于1%，稳定性良好；在远场区域内，测距误差略高，但仍在可接受范围内。
通过对实验数据的分析，发现超声波传播速度的波动和检测表面粗糙度是影响测距精度的主要因素。
在复杂环境下，本文所采用的方法具有较好的鲁棒性和抗干扰能力。
结论与展望本文通过对超声波精确测距的研究，提出了一种有效的优化方法，提高了测距精度和稳定性。
然而，仍存在一些局限性，如对复杂环境的适应能力有待进一步提高。
超声波测距实验报告
超声波测距模块工作原理
超声波发射器发射 一组超声波脉冲
脉冲遇到物体后反 射回来
超声波接收器接收 反射回来的脉冲
通过计算发射和接 收脉冲之间的时间 差，得到物体与传 感器之间的距离
编写Arduino程序，控制 超声波传感器发送和接收 信号
连接Arduino板与电脑， 上传程序并运行
调整超声波传感器的角度 和位置，确保测量距离准 确
开始测量
准备超声波传感器和Arduino板 连接超声波传感器和Arduino板 编写程序，设置触发和接收引脚 启动Arduino板，开始测量距离
数据记录和处理
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
拓展应用场景：将超声波测距技术 应用于更多领域，如自动驾驶、智 能机器人等。
降低成本：通过优化设计和生产工艺， 降低超声波传感器和测距系统的成本， 使其更广泛地应用于各种领域。
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实验步骤
准备实验器材
超声波传感器 添加标题
连接线 添加标题
添加标题 Arduino开发板
添加标题 面包板
跳线 添加标题
测量工具 添加标题
添加标题 电脑和软件
添加标题 实验环境
搭建实验装置
准备超声波传感器、 Arduino板、面包板、跳 线等材料
连接超声波传感器与 Arduino板的引脚
连接Arduino板与面包板 的引脚
学会使用超声波传感器进行距离测 量
学会分析实验数据，得出结论
掌握数据处理和分析技巧
学习如何使用超声波传感器进行距 离测量
超声波测距仪设计及其应用分析
超声波测距仪设计及其应用分析[摘要] 本文利用超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波测距仪。
该测距仪主要由超声波发射器电路、超声波接收器电路、单片机控制电路、环境温度检测电路及显示电路构成。
利用所设计出的超声波测距仪，对不同距离进行了测试，并进行了详尽的误差分析。
[关键词] 超声波测距单片机温度传感器随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。
超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。
本设计的超声波测距仪，可以对不同距离进行测试，并可以进行详尽的误差分析。
一、设计原理超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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立即中断停止计时。
通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。
基本的测距公式为：L=(△t/2)*C式中L——要测的距离T——发射波和反射波之间的时间间隔C——超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。
二、超声波测距仪设计目标测量距离: 5米的范围之内;通过LED能够正确显示出两点间的距离;误差小于5%。
三、数据测量和分析1.数据测量与分析由于实际测量工作的局限性，最后在测量中选取了一米以下的30cm、50cm、70cm、80cm、90cm、100cm 六个距离进行测量，每个距离连续测量七次，得出测量数据(温度:29℃),如表所示。
从表中的数据可以看出，测量值一般都比实际值要大几厘米，但对于连续测量的准确性还是比较高的。
对所测的每组数据去掉一个最大值和最小值，再求其平均值，用来作为最终的测量数据，最后进行比较分析。
这样处理数据也具有一定的科学性和合理性。
基于一种高精度超声波测距仪的研究
量 距 离准确 ， 结构 简单等 特 点 。 关键词 ： 超声波； 测距 ； 系统
引言
随着传感器和单片机控制技术的不断发展 ， 非接触式检测技术 已被广 泛 应 用 于 多个 领域 。 目前 ， 典 型 的非 接 触 式 测距 方 法 有 超 声 波测距、 Ｃ Ｃ Ｄ 探测 、 雷 达 测距 、 激 光 测距 等 。 超 声 波测 距 是 一种 无 损 检测技术的表现形式 ， 在实际生活中由于它方 向性强 ， 在空气中能 量 消耗 缓 慢 ， 并 且 不 受周 围 环境 的影 响 ， 在 电磁 场 中衰 减 小 ， 所 以被 广泛使用在倒车 、 测距等领域 。 １超 声 波测 距 原理 分 析 一 能够完成产生超声波和接收超声波功能 的装 置就是超 声波传 感器 ， 也称为超声波换能器或超声波探测器 。超声波传感器在测量
超声波测距技术的研究
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 。 ３ ． 系 统 构 建 系统硬 件结构框 图如 图 ２ 所示 ， 包括超 声波发射 电路 、 超声波接 收 电路 和显示 电路 。系统 选用 Ａ Ｔ ８ ９ Ｃ ２ ０ ５ １ 单 片机 ， 采用 １ ２ Ｍ Ｈ ｚ 的晶振 。 Ｐ ３ ． ５ 口启动超声波发射器发射 ４ ０ ｋ Ｈ ｚ 的超声波 ， Ｐ ３ ． ７口 接 收超 声波接收 器 返 回的控 制信 号 ， Ｐ ｌ 口控制 ３ 个 共 阴极数 码管 的段 码 显示 ， Ｐ ３ ． ０一 Ｐ ３ ． ２ 分别为 ３ 个数码管 的位选线 。
参 考 文献 Ｉ １ ｌ Ｓ ｔ ｅ ｒ ｍａ ｎ ， Ｂ． ａ ｎ ｄ Ｔ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｆ ｅ ｒ ． Ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ Ａ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｒｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｈ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｕｒ ｂ ａ ｎ Ｂ ｕ ｓ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ． Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｉ ｔ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｊ ｏ ｕ ｍＭ ， Ｖｏ １ ． １ ０ ２ ， １ ９ ７ ６ ， Ｐ Ｐ ． １ ４ ７ —１ ５ ９ ［ ２ Ｊ Ｔｕ ｒ ｎ ｑ ｕ ｉ ｓ ｔ ， Ｍ． Ａ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｆ ｏ ｒ Ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｉ ｔ ｇ ａ ｉ ｔ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ Ｅ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ Ｆ ｒ ｅ —
Ｐｌ
Ｐ ３ ． Ｏ Ｐ ３ ． ２ Ａ Ｔ ８ ９ Ｃ ２ ０ ５ １
ｆ ’ ３ ． ５
波测距原理 图。
Ｐ ３ ． ７
图２ 测距系统结构 图
４ ． 结论
图１ 超声波测距原理 图 ２ ． 影响参数 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 ＝ ３ ３ １ ． ４ ＋ ０ ． ６ ０ ７ Ｔ （ ｍ ｍ ／ ｍ ｓ ） ， 式中Ｔ 为温度 。 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 定困难。在具体设计 中， 比较 了 １ 个４ ０ ｋ Ｈ ｚ 脉 冲方 波； ５ 个４ ０ ｋ Ｈ ｚ 脉冲 方波； １ ０ 个４ ０ ｋ Ｈ ｚ 脉 冲方波 ； ３ ０ 个４ ０ ｋ Ｈ ｚ 脉 冲方波 的发射脉 冲长度作 为
国内超声波测距研究应用现状
国内超声波测距研究应用现状李 戈，孟祥杰，王晓华，王重秋（中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116）【摘 要】本文结合超声波测距原理，对超声波回波信号处理、新型换能器研发、发射脉冲选取的国内研究现状，以及该技术在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞、曲面仿形检测的应用现状作了综述，分析了超声波测距系统现阶段存在的常见问题，相应提出了解决方案，并对超声波测距的发展与应用趋势进行了展望。
【关键词】超声波；测距；回波处理；盲区【中图分类号】TB55 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307（2011）04- - Research and application status on domestic ultrasonic rangingAbstract: Based on the principle of ultrasonic ranging, this paper described the domestic research status of ultrasonic echo signal processing, new transducers designing. It also introduced the application of ultrasonic ranging technology in the field of domestic liquid-level measure, mobile robot obstacle avoidance, vehicle collision avoidance and profile measurement of surface. After that, this paper analyzed the problems in ranging system and the solutions. The developmental direction and research progress in ultrasonic ranging were also presented.Key words: ultrasonic; ranging; echo signal processing; blind areaLI Ge , MENG Xiang-jie , WANG Xiao-hua , WANG Zhong-qiu （School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China ）1 引言随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。
超声波测距实验报告
超声波测距实验报告超声波测距实验报告引言：超声波测距是一种常见的测量技术，广泛应用于工业、医学和科学研究领域。
通过发射超声波并测量其返回时间，我们可以计算出被测物体与传感器之间的距离。
本实验旨在探究超声波测距的原理和应用，并通过实际操作验证其可靠性和准确性。
实验步骤：1. 实验器材准备：超声波传感器、数字示波器、计算机等。
2. 连接电路：将超声波传感器与数字示波器和计算机相连。
3. 设置参数：根据实验要求，设置传感器的工作频率和测量范围。
4. 发射超声波：通过控制电路，使传感器发射超声波信号。
5. 接收信号：传感器接收到返回的超声波信号，并将其转换为电信号。
6. 数据处理：将接收到的信号传输到计算机，并使用相应的软件进行数据处理和分析。
7. 计算距离：根据超声波的传播速度和返回时间，计算被测物体与传感器之间的距离。
实验结果：经过多次实验，我们得到了一系列距离数据，并进行了统计和分析。
结果表明，超声波测距的准确性较高，误差在合理范围内。
同时，我们还观察到在不同环境条件下，超声波的传播和测量结果可能会受到一定的影响。
例如，声波在空气中的传播速度与温度和湿度有关，因此在不同的环境下，需要进行相应的修正。
实验讨论：超声波测距技术在许多领域中都有广泛应用。
在工业领域，它可以用于测量物体的距离、检测障碍物并进行避障等。
在医学领域，超声波测距被应用于超声诊断、医学成像等。
此外，超声波测距还可以用于地震勘探、水下探测等科学研究领域。
然而，超声波测距也存在一些局限性。
首先，超声波在传播过程中会受到物体的吸收、散射和衍射等影响，从而导致信号衰减和失真。
其次，超声波的传播速度与介质的性质和温度有关，因此在不同的介质中，需要进行相应的修正和校准。
此外，超声波测距还受到传感器的分辨率和灵敏度等因素的限制，影响了其测量的精确度。
结论：通过本次实验，我们深入了解了超声波测距的原理和应用。
实验结果表明，超声波测距是一种准确可靠的测量技术，具有广泛的应用前景。
浅谈超声波测距
浅谈超声波测距摘要：本文讨论了超声波测距技术，研究了下超声波测距技术的原理、优点和应用。
超声波测距是一种无杆测距技术，可以通过发射声波来测量物体间的距离，这种技术的优点在于快速、准确、简单、成本低，并且它可以克服光线不足的情况，对深度notion 非常有用，因此在机器人、智能家居等领域有着广泛的应用。
关键词：超声波测距；无杆测距；机器人；智能家居正文：超声波测距技术可以利用声波来测量物体间的距离，它的原理就是通过发射声波，让声波在物体之间传递，当声波到达对象时，受到对象的反射，利用穿行时间的方式来测量距离。
它的优点有：快速、准确，简单而且低成本，同时还能够克服光线不足的情况，对深度 notion 非常有用，因此在机器人、智能家居及其它新兴应用领域得到了普遍使用。
超声波测距技术有着广泛的应用，它可以用来测量房间内物体的距离，也可以被用来检测机器人之间的距离或机器人靠近障碍物的距离，还可以用来检查安全防护系统，确保安全距离。
此外，超声波测距还可以用来测量水位、流量和击穿位置等，以及液位检测、运动侦测、自动停车等多种应用中，它同样被广泛使用。
总之，超声波测距技术是一种有效的无杆测距方法，具有快速、准确、简单、成本低的优点，它具有广泛的应用前景，可以用来测量房间内物体的距离，也可以用于机器人之间的距离和安全防护系统，以及水位、流量和击穿位置等检测，自动停车等领域。
超声波测距的传播和应用原理也是非常重要的。
它可以通过声源发出的脉冲，通过空气或其他介质传播，当脉冲到达物体时，它会受到折射和反射的作用，从而实现测距。
超声波测距还可以使用多普勒效应来测量物体的速度。
多普勒测速是一种利用多普勒效应实现测速的方法，本质上是通过观察发射波频率和接收波频率之间的差异，来确定物体的速度。
在超声波测距中，我们可以使用多普勒效应，发射两个频率不同的脉冲，检测接收信号的频率差，以此来测量物体的速度。
多普勒测速在机器人行走、安全监测和寻找障碍物等方面有着广泛的应用。
超声波测距精度的探讨
超声波测距精度的探讨超声波测距精度的探讨在瓦楞纸板生产线上进行原纸破损检测及其他卷径检测中,采用超声波脉冲回波测量是一种较好的非接触式的检测方式。
与其他方法相比,该测量方法在恶劣环境下适应能力强。
其回波信号包含的沿传播方向上的结构信息也很容易检测出来。
设超声波传感器至卷轴中心之间的距离为H,至纸卷外径距离为h,空气中超声波传输速度为c,超声波在传感器与纸卷外经之间的传播为t,则纸卷半径r: r=H-h=H-0.5ct(1) 温度补偿在H已知的情况下,显然影响测量精度的因素主要是超声波传播速度c的确定和往返时间t的测定。
超声波在空气中的传波速度主要取决于声波传播路径环境温度T,即:c=20.0544(T+273.16)1/2(2) 式中t为环境的摄氏温度测量,由于在生产现场环境受风机、蒸汽等的影响,温度变化比较大,电气干扰也比较强。
例如,在环境温度为30℃,h为1.5m,温度变化5℃时,卷径的测量误差△r为: △r=-(1/2)h. △T/(T+273.16) ≈12.4mm(3) 显然,温度对生产的影响是不能忽略的。
解决的方法就是准确地测量出当时的现场环境温度,以式(2)来计算当时的声速。
测量现场环境温度可利用三端集成温度传感器T(LM35),其灵敏度可达10mv/℃,再通过高精度、低漂移的集成仪器放大器AM(AD620A)放大,送入A/D,由单片机进行运算(如图1所示)。
利用这种处理方式,温度测量不难做到0.1℃的误差,因而在同样情况下,卷径的测量误差△r仅为: △r=-(1/2)h△T/(T+273.16) ≈0.25mm(4) 这足以满足了对卷径的测量要求。
图1 温度测量框图在测量距离较大时,传播途径上温度是不均匀的,ho难以测出其温度分布。
这时,可采用标准距离校正的方法。
这种方法是在超声波传播路径中的适当位置h0上安装一固定的反射板,由超声波传感器发出的声波一部分直接由反射板反射回来,其传输时间为t0,则ho为: ho=0.5ct0 另一部分则由被测目标反射回来,其传输时间为t,则h为: h=0.5ct 这样,纸卷半径r便可由下式表示: r=H-hot/to (5) 此时纸卷半径的测试精度只取决于反射板的安装精度和回波时间的测量精度,而与超声波的声速无关,也即消除了温度、湿度、粉尘、气流、气压等的影响。
高精度微距超声波测距系统
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ａ ｎ ｄ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ
２ ０１ ３
第 １ 期
Ｎ ｏ ． １
高精 度微 距 超 声 波 测距 系统
倪卫宁 ， 朱祖扬 ， 张
（ １ ． 中国石化 石油工程技术研究院 ， 北京
关键词 ： 井径 ； 超 声波测 距 ； 增益控制
中图分类号 ： Ｔ Ｈ ８ １ ６ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ２—１ ８ ４ １ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １— ０ ０ ７ ５— ０ ２
Ｈｉ ｇ ｈ － ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｕｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ － Ｄｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ， ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｃ ａ ｌ ｉ ｐ ｅ ｒ
ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ． Ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｇ ａ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｇ ａ ｉ ｎ ｃ ａ ｌ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｒ ｅ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ， ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｒ ｓ ｔ ｅ ｃ ｈ ｏ ｓ ｉ ｇ — ｎ ａ ｌ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ｉ ｅ ｒ ｉ ｓ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ±１ ｍｍ ， ｔ ｈ ｅ ｂ ｌ ｉ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｓ ２ ５ ｍｍ， ｗ ｈ ｅ ｎ １ ＭＨｚ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ １ ０ ０ ｍＷ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｔ ｐ ｏ ｗ—
超声波测距传感器的研究
超声波测距传感器的研究一、本文概述超声波测距传感器是一种利用超声波在空气或其他介质中传播的特性来测量距离的设备。
由于其非接触性、高精度和低成本等优点，超声波测距传感器在机器人导航、工业自动化、智能车辆、医疗诊断以及军事等领域中得到了广泛的应用。
本文旨在全面研究超声波测距传感器的工作原理、设计方法、性能优化以及实际应用，以期为相关领域的研究者和技术人员提供有价值的参考和启示。
本文将首先介绍超声波测距传感器的基本工作原理，包括超声波的产生、传播和接收过程，以及如何通过测量超声波的传播时间来计算距离。
接着，本文将深入探讨超声波测距传感器的设计要点，包括超声波换能器的选择、电路设计、信号处理算法等。
本文还将关注超声波测距传感器的性能优化问题，如提高测量精度、减小环境干扰、降低功耗等。
本文将通过实际案例来展示超声波测距传感器在不同领域中的应用，如机器人避障、车辆倒车雷达、智能仓储管理等。
通过本文的研究，我们期望能够为超声波测距传感器的发展和应用提供有益的指导和建议，推动该领域的技术进步和创新发展。
二、超声波测距传感器的基本原理超声波测距传感器，又称作声纳传感器，是一种通过测量超声波在发射和接收之间的时间差来确定距离的设备。
其基本原理主要基于超声波在空气中的传播速度和反射性质。
超声波是一种频率高于20,000赫兹的声波，超出了人耳能够听到的范围。
由于其频率高，波长短，超声波在传播过程中具有良好的指向性，并且可以在遇到障碍物时发生反射。
当超声波发射器发出超声波脉冲时，这些脉冲在空气中传播，直到遇到目标物体，然后反射回来，被接收器捕获。
超声波测距传感器的工作过程可以概括为以下几个步骤：传感器中的超声波发射器发出一个短暂的超声波脉冲。
然后，该脉冲在空气中传播，遇到目标物体后反射。
反射回来的超声波被传感器的接收器接收。
通过测量发射和接收超声波脉冲之间的时间差，我们可以计算出超声波在空气中传播的距离，从而确定目标物体的距离。
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频率窗都可以改变的时频局部化分析方法. 它在 低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分
辨率 ,在高频部分具有较高的时间分辨率和较低 的频率分辨率. 因此. 可以利用小波分析法对接收 到的回波信号进行分析 、去噪 ,获得更加平滑 、有 效的回波包络曲线 ,进而可以利用峰值检测法准 确计算出回波前沿的到达时刻.
2006 年 3 月 第 27 卷 第 1 期
郑州大学学报 (工学版) Journal of Zhengzhou University ( Engineering Science)
文章编号 :1671 - 6833 (2006) 01 - 0086 - 05
Mar. 2006 Vol. 27 No. 1
5. 00
/ mm 1 100 1 200
/ mm 1 112 1 208
/ mm 12 8
310
10
3. 33
1 300
1 310
10
406
6
1. 50
1 400
1 405
5
512
12
2. 40
1 500
1 492
-8
615
15
2. 50
1 600
1 610
10
718
18
2. 57
1 700
1 712
图 4 回波包络峰值检测原理 Fig. 4 The envelope peak detection principle of returned ultrasonic
4 实验数据
为了便于说明本高精度测距仪在改善前 、后 测量精度的差别 ,分别在改善前 、后各测量了 20 组数据作对比 ,实验数据如表 1 、表 2 所示.
一种高精度超声波测距仪测量精度的研究
卜英勇 , 何永强 , 赵海鸣 , 任凤跃
(中南大学机电工程学院 ,湖南 长沙 410083)
摘 要 : 在超声波测距技术中 ,通常受温度的影响和传播声时 ( TOF) 的检测误差 ,使得超声波测距的精 度不高. 为了提高超声波测距仪的测量精度 ,针对传统超声测距仪在结构上进行了改进 ,安装了具有温 度补偿功能的标准校正器具 ;同时 ,根据回波信号的传输特征 ,利用小波分析法对回波信号进行运算处 理 ,提出了基于小波包络原理的峰值检测方法. 试验结果表明 :这些技术显著提高了超声测距的精度并 增强了超声检测的可靠性. 关键词 : 超声波测距 ; 标准校正板 ; 小波分析 ; 峰值检测 ; 中图分类号 : TB 559 文献标识码 : A
表 1 为该测距仪改善前的实验数据及其测量 误差 ;表 2 为测距仪改善后的实验数据及其测量 误差. 本系统有效测量范围为 2 m ,改善前系统的 测量盲区为 200 mm ; 改善后系统的测量盲区为
100 mm.
5 结束语
图 5 回波包络峰值检测波形 Fig. 5 The envelope peak detection shape of returned ultrasonic
1 超声波测距原理及系统硬件电路组成
超声波测距是借助于超声波脉冲回波 (即声
纳法) 来实现的. 该系统原理如图 1 所示.
设脉冲超声波由探头发出到接收所经历的时
间为 t ,超声波在空气中的传播速度为 c ,从探头
到目标探测物的距离为 d ,则
d
=
1 2
ct
(1)
2 超声波测距仪的结构改进及温度补偿 原理
包络检波之后 ,在分别通过微分电路 、零点交叉检 测 ,最后进入单片机外部中断 0 的入口 ,从而完成 传播声时的准确计时. 因为采用包络峰值时间点 的检测方法与信号振幅无关 , 故具有优良的传输 时间检出特性. 包络峰值检出原理及波形如图 4 、 图 5 所示.
包络峰值检测也可以消除虚假回波的干扰 , 使达到阀值的虚假回波可以被峰值检测滤掉. 本 系统采用了随时间变化的 AGC 自动增益控制电 路. 因为超声波接收回波的幅值随传播距离的增 加而成指数规律衰减 ,所以采用 AGC 电路使放大 倍数随距障碍物距离的增加成指数规律增加的电 路. 在计数器开始计时的时刻 ,AGC 电压开始随 时间增加而增加 ,在检测到回波脉冲后清零. 零交 叉点检测可以保证回波到达时刻不受回波大小变 化. 采用鉴宽电路可以抑制偶然的尖峰干扰信号 , 使尖锐的干扰信号被鉴宽电路挡住而不能到达电 平比较电路. 因此 ,采用包络峰值检测可以保证回 波前沿的准确到达时刻.
境噪声信号 ,获得更平滑 、理想的回波包络曲线. 利用包络峰值检测原理对小波包络后的回波信号 分析处理 ,从而准确计算回波前沿的到达时刻. 3. 2 回波信号的包络峰值检测
根据小波分析理论提出一种新的确定回波前 沿的计算方法 ,即回波信号的包络峰值检测法. 通 过示波器对回波波形进行观察 ,可以发现对同一 探测物 ,不同传播距离的回波包络线都有较好的 一致性 ,回波波形都大致相同 ,只是波幅不同 ,并 且同一距离时的不同类型探测物的回波波形也大 致相同 ,只是波幅不同. 从工程精度考虑 ,可以认 为超声回波幅值包络线的形状基本不随回波信号 的大小而变化. 即回波信号包络峰值所对应时刻 tp 与回波前沿到达时刻 t0 间的时间差 ( tp - t0) 不 随探测物远近的变化而变化. 而时间差 ( tp - t0) 也容易通过实验计算出来. 因此 ,可将接收回波信 号的包络峰值所对应的时刻 tp 作为停止记数的 时刻 ,用回波包络峰值所对应时刻与回波前沿到 达时刻的时间差 ( tp - t0) 就可消除由于时间检出 点变化所引起的测量误差. 回波信号在进行线性
12
816
16
2. 00
1 800
1 814
14
914
14
1. 56
1 900
1 888
- 12
985
- 15
- 1. 50
2 000
2 016
16
相对误差
/% 1. 09 0. 67 0. 77 0. 36 - 0. 53 0. 63 0. 71 0. 78 - 0. 63 0. 80
实测距离 / mm 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000
超声波在空气中的传播速度随着环境温度 、 湿度以及大气压力的变化而变化 ,其中以环境的 温度对声速的影响最大. 环境温度每升高或降低 1 ℃,声速就增加或减小 0. 607 m/ s. 因此 ,消除由 温度的变化而引起的测距误差就显得尤为重要.
图 1 超声波测距系统原理框图 Fig. 1 The principle frame diagram of ultrasonic distance measurement system
t0
,则
d0
=
1 2
c0 t0 ;另一部分则由被测目标反射回
来 ,其传输时间为 t ,传播速度为 c , 则 d 为 : d =
1 2
ct
,因为这两段内传播速度相等
,即 : c
=
c0
,式
(1) 可以表示为 : d =
1 2
c.
t
=
1 2
.
2
t.
d0 t0
=
d0 .
t t0
,
由此得到式 (2) :
d
=
监测与故障诊断.
第 1 期 卜英勇等 一种高精度超声波测距仪测量精度的研究 87
在本文中 ,我们采取安装标准校正板的办法来消 除温度变化造成的测量误差.
如图 2 所示 ,在探测仪的底板上部安装一个 固定距离为 15 cm 的标准校正板 , d 表示探头到 探测目标的距离 , d0 表示探头到标准校正板的距 离 ,标准校正板可以在 A - B 平面上左右滑动 ,以 方便进行校正和测量. 设在校正段内的声速为 c0 , 超声波脉冲从发射到接收所经历的时间为
收稿日期 :2005 - 10 - 08 ;修订日期 :2005 - 12 - 25 基金项目 :中国大洋矿产资源研究开发协会技术发展资助项目 (DY105 - 03 - 02) 作者简介 :卜英勇 (1944 - ) ,男 ,安徽芜湖人 ,中南大学教授 ,博士生导师 ,主要研究方向为设备资产管理 、设备状态
通过对测距仪的结构进行优化设计和改进 , 安装了具有温度补偿功能的标准校正板 ,消除了 环境温度的变化对测距精度的影响.
第 1 期 卜英勇等 一种高精度超声波测距仪测量精度的研究 89
实测距离
/ mm 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 引言
超声波 测 距 技 术 是 近 年 来 出 现 的 测 距 新 技 术 ,是一种非接触的检测方式 ,和红外 、激光及无 线电测距相比 , 它具有结构简单 、可靠性能高 、价 格便宜 、安装维护方便等优异特性 ,在近距范围内 超声测距具有不受光线 、颜色以及电 、磁场的影 响 ,在恶劣作业环境下有一定的适应能力. 因此利 用超声波测距在实现定位及环境建模场合 ,如 :液 位 、汽车防撞雷达 、井深及管道长度测量 、机器人 定位 、辅助视觉系统等方面得到广泛的应用[1～6] . 但传统的超声波测距仪测量精度普遍较低 ,都不 能满足高精度测量的要求. 为了克服此不足 ,我们 从测距仪结构设计和回波信号处理的角度出发 , 提出了基于回波包络峰值的检测方法 ,从而进一 步提高测距仪超声检测的精度[7～10 ] .
从图 3 可以看出 ,复小波函数的模可完全平 滑地包络其实部和虚部. 因此. 利用复小波函数的 模便可很容易获得回波信号的小波包络分析. 回 波信号经小波包络运算处理后 ,可以帮助剔除环