一种高精度超声测距方法的研究

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一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法

第45卷　第4期厦门大学学报(自然科学版)Vol.45　No.4　2006年7月Journal of Xiamen University (Nat ural Science )J ul.2006　一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法收稿日期:2005209222基金项目:国家自然科学基金(D0602240476018),厦门大学科技创新基金(00502K70013)资助作者简介:孙牵宇(1982-),男,硕士研究生.3通讯作者:xmxu @孙牵宇,童　峰,许肖梅3(厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建厦门361005)摘要:针对移动机器人超声定位中超声收发传感器角度偏向造成的测距精度下降,本文提出了一种基于归一化波形参数特征修正的超声测距系统.传统的增益控制、可变阈值等抗起伏措施对抑制传播过程中的幅度起伏造成的测距误差效果较好,但如果传感器角度偏向使波形发生畸变,此类方法仍将造成较大误差.本文通过对传感器角度偏向造成接收信号波形畸变及测距精度下降的理论分析及实验研究,建立了超声接收信号归一化波形特征脉宽与前沿变化的关系,设计了基于单片机实现误差校正的大偏向角高精度超声波测距系统.测距实验结果表明本系统显著减小了传感器角度偏向引起的测距误差,在不同的距离上使测距精度平均提高了1.6%,同时具有成本低、使用简单、方便的特点.关键词:移动机器人定位;超声测距;角度偏向中图分类号:TP 274.53 文献标识码:A 文章编号:043820479(2006)0420513205 由于超声波测距有不受光线影响、结构简单、成本低、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化等优点,因此,广泛应用于移动机器人定位及导航系统[1,2].超声测距的精度直接决定了机器人超声波定位的精度性能,目前许多提高超声波测距精度的研究集中在考虑传播过程中幅度起伏造成的误差[3～6],采用增益控制、可变阈值、零交叉点等抗起伏措施保证触发时刻的稳定,实现超声信号飞行时间(TOF ,time of flight )检测精度的提高.上述方法取得精度提高的前提是接收信号的归一化波形保持不变.Lamancus [7]的研究表明,当超声收发传感器轴线存在一定偏角、超声波信号偏向入射时接收信号波形会产生畸变,特别是偏角比较大的时候,如移动机器人定位中在机器人活动范围内当发射与接收传感器处于大偏向角位置时,波形由于信号斜入射而畸变大大降低了传统方法下的测距精度.这个问题严重影响了超声波定位系统在自动导引车高精度停靠等需要高定位精度、大偏角范围场合的应用.如童峰等人研制的机器人超声波导航系统[8],在小偏向角度下(轴线方向上)定位精度为1cm ,在大偏向角度下精度下降为5cm.本文根据波形畸变理论和实验的分析,针对传感器的发射角和入射角所引起的误差,提出了一种可适用于大角度范围工作条件的处理方法并设计了基于单片机的系统,实现简单方便.实验结果表明:本系统最终在大角度测距时使测距精度平均提高了1.6%.1　超声测距系统原理及影响测距精度的因素1.1　影响测距精度的因素除声速变化、噪声等影响因素外,声波在空气介质中声速的变化及散射,衰减的随机不均匀性,引起接收信号在幅度和时间轴上的起伏,是造成测距误差的一个主要原因.图1所示为固定门限电平检测下由幅度起伏引起触发电路的信号前沿不同,产生飞行时间(Time of flight )检测误差,起伏变化越大引起的误差就越大.针对这个问题提出的可变门限[3]、前沿线性前推[4]、零交叉点检测等处理方法,这些方法一个共同的前提就是幅度起伏时,信号的归一化波形基本不变(如图1中实线波形所示),如果波形发生了畸变(如图1　图1　幅度起伏(虚线是畸变波形)　Fig.1　Amplitude fluctuations (dashed :distorted wave 2form )中虚线波形所示),仍将造成较大的检测误差.1.2　信号传输过程分析及斜入射影响(1)接收超声脉冲信号波形的数学模型[9,10]超声脉冲信号接收信号的波形和发射传感器、发射激励、空气对超声信号的吸收和散射、发射角、入射角有关.为简化分析起见,我们对这些作用因素进行建模分析如图2.　图2　信号传播过程　Fig.2　Process of transmission假定S (t )为发射端加的激励信号,则:Rec (t ,θT ,d ,θR )=S (t -d c)・h trans (t ,θT )・　1dh air (t ,d )・h rec t ,θR其中:h trans t ,θT =h θt ,θT ・h T t ,h rec t ,θR=h θt ,θR ・h R t ,Rec (t ,θT ,d ,θR )为接收波形,h trans ,h air 和h rec 分别是以θT 发射角时的发射传感器、空气介质的吸收和散射,θR 为入射时的接收传感器的脉冲响应.h θ是角度偏向的脉冲响应,h T 和h R 是传感器的脉冲响应.式中空气介质h air 造成的接收波形变化在较近距离内可近似认为只有幅度上的影响[5],而超声换能器本身的特性h T 和h R 对波形的影响是固定的.因此,接收信号波形主要受传感器发射角和接收角的影响,下面分析斜入射对接收信号波形的影响.(2)发射角和入射角对接收信号的影响从接收传感器进行理论分析,在远场时(一般应用场合均满足),入射超声波可看成是平面波,令入射波对传感器的激励强度正比于入射波与传感器面的相交区域的面积,则传感器的输出信号也正比于这个相交区域的面积.对圆形入射面的接收传感器,如图3.当入射的平面波垂直入射时,对传感器的激励发生在同一时刻,同一作用强度,则其脉冲响应可看作一冲激信号,即垂直入射时不影响输出波形的形状和频谱;当入射波以角度θ入射时,入射平面波从传感器面的一端开始扫过整个传感器面,在任一时刻相交区域是传感器面上的一条弦,则对传感器的激励强度曲线即脉冲响应曲线为传感器面一端到另一端的一族平行弦的弦长,时域上是一个半椭圆[9]:　图3　信号斜入射　Fig.3　Signal reception under angular misalignmenth rec (t ,θ)=4c co sθπD sin θ1-2tt w2,-t w2<t <t w20, 其它其中,D 是圆形接收换能器的直径,c 为空气中声速,t w 是入射平面波从传感器面的一端开始扫过整个传感器面所用的时间.根据传感器的互易原理,发射传感器发射角对接收信号的脉冲响应可写为:h rec t ,θ=h trans t ,θ=h θt所以,当测距超声波信号垂直入射传感器时,h θ(t )表现为全通滤波器,接收信号波形与两传感器互相对准时的接受信号波形基本一致,而当发射和接收出现越来越大的角度时,接收波形等效于脉冲响应为一越来越宽的椭圆曲线的滤波器,频域上表现为截止频率趋低的低通滤波器,此时所得到的接收信号波形与两传感器互相对准时的接受信号波形有显著不同.因此,可变门限[4]、前沿线性前推[5]、零交叉点等处理方法在发射接收角度较小的条件下可有效提高精度,但对于较大的角度偏向造成波形畸变,效果将大大下降.2　波形前沿与波形特征宽度关系研究针对这个问题,本文提出根据信号畸变中波形特征参数的变化对检测误差进行校正的思路.考虑到移动机器人超声波定位系统中通常要求超声测距部分结构简单、实现方便,本文选取易于获取的1/2峰值为门限所得信号脉宽作为波形特征宽度,并通过实验研究其与前沿变化的关系.2.1　实验数据在温度为28℃的条件下,在实验室内,设置收发传感器的距离为35cm ,固定接收传感器,使发射传感器在以接收传感器为圆心,半径分别为35cm 的圆弧上移动,移动的角度范围在0°到60°之间.为补偿斜入射造成信号幅度的下降,对波形进行归一化处理后,测量各偏向角度下接收信号1/2峰值处的波形特征宽度T w 和波形前沿的位置T p .图4为・415・厦门大学学报(自然科学版) 2006年　图4　不同偏向角度下的接收波形　Fig.4　Reception waveforms at different angular misalignment收发传感器相距35cm时同一触发时间下测得的入射角度分别为0°,30°,40°,60°的接收波形.可发现随着偏向角度的加大,接收归一化波形的特征宽度先减小再增加,而波形前沿先稍微前移,然后一直向后移.由此可知,对归一化处理后的波形进行阈值检测虽可抑制幅度起伏引起的触发时刻漂移造成的TO F检测误差,但在大偏向角情况下触发电路的信号前沿前移,检测结果将明显小于真实值,产生较大误差.2.2　误差修正原理图5是根据距离为35cm处测得的数据而画出前沿触发时刻和特征宽度随偏向角的变化曲线.定义　图5　T w和T p的变化曲线　Fig.5　Curves of T w and T p△T w为接收波形特征宽度相对于入射角0°(即垂直入射)时的变化量,则根据图5曲线可看出在入射角小于40°时,波形的前沿变化不大(△T w<0.2ms),此时不会产生大的门限检测的误差;而偏向角在40°～60°之间时,△T w>0.2ms,波形的前沿有较明显变化,影响了门限检测的精度,造成较大误差.我们本着设计简单、易实现的初衷,根据在大偏角情况下前沿到达时刻和波形特征宽度分别呈减小和增加的趋势,提出下列修正误差的方法:(1)当0.4ms>△T w>0.2ms时,T2=T1+ 0.04ms;其中,T1是误差补偿前的前沿位置,T2是误差补偿后的检测结果.(2)当△T w>0.4ms时,T2=T1+0.06ms;这样我们就可以通过获得△T w的值来对T p进行补偿,经过校正后所得到的前沿触发时刻T2再减去一固定偏移值即可得到不同偏向角条件下的高精度TO F检测结果.3　新的高精度处理方法3.1　系统设计根据上述分析,我们设计了基于单片机的大角度超声波高精度测量系统.该测距系统结构框图如图6・515・第4期孙牵宇等:一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法　图6　系统框图　Fig.6　Block chart of the proposed system所示.用单片机产生脉冲信号通过传感器发出40k Hz 的超声波.接收信号经放大、带通滤波,然后经过A GC(自动增益控制)电路使信号幅度保持稳定,通过检波电路检出波形包络并经过1/2峰值门限的比较器,输出信号送单片机,单片机记录信号前沿触发时刻T p(用来计算测距的距离),及持续宽度T w(波形特征宽度,用来修正误差),并根据上述的△T w和T p关系进行误差校正,最后输出高精度测距数据.3.2　实验结果本实验的数据是在实验室内,温度为28℃的条件下得出的.固定接收传感器,使发射传感器在以接收传感器为圆心,半径分别为270mm,470mm,570mm, 900mm的圆弧上移动,移动的角度范围在0°到60°之间(-60°到0°范围数据可根据对称性获得).考虑到超声传感器本身的发射接收指向较尖锐(本实验中采用的传感器3dB主波束角为±40°),大偏角接收时信噪比大大下降,实验设置的工作距离在1m内.为了比较修正前后的精度变化情况,本文对A GC 增益控制稳定信号幅度后直接检测和本文方法的测距精度进行比较实验,考虑到可变阈值和零交叉点等方法和增益控制方法本质上都是针对幅度起伏的,因此当波形畸变时,其测距误差变化趋势大致相同.根据实验数据画出在4个不同距离上修正前和修正后的测距性能对比图(图7).从图7可看出,随着偏向角度的增大,增益控制检测的测距误差也逐渐增大,特别是在大于40°后误差增加明显.当采用本文提出的误差修正处理后,误差得到较好的补偿,1m范围内大偏向角(±60°)情况下测距精度从12.24mm显著提高到了3.4 mm.4　结　论为了提高移动机器人超声定位等需要大工作范围场合下的超声测距精度,本文通过对大角度偏向造成　图7　测距实验结果　Fig.7　Experimental results of distance measurement信号波形畸变的研究,在超声测距系统中引入了角度偏向误差修正技术,利用接收波形的特征宽度来对波形前沿进行校正,使门限检测飞行时间TO F的精度提高.实验结果表明此修正方法简单实用,与增益控制检测处理方法相比超声测距系统的大偏角(±60°)工作精度明显提高.且系统结构简单、实现方便,适用于自动导引车高精度停靠、机器人高精度定位、虚拟现实系统人机交互输入等需要较大工作角度、高测距精度的场合.考虑到本文采用的超声传感器指向特性较尖锐(3 dB主波束角为±40°),本实验中的大偏角测距距离较小(1m内),但这已能满足自动导引车停靠等需较近距离、高精度定位的场合的要求.若采用具有更宽的主波束角的超声波传感器,工作距离将可进一步扩大.同时,本文采用的波形修正参数只适用于本实验中采用的换能器及滤波电路,对于不同指向特性、频率特性的换能器及滤波电路,本文方法中的修正参数需重新设定.・615・厦门大学学报(自然科学版) 2006年参考文献:[1]　贾莉娜.高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用[J ].计量与测试技术,2004(9):23-26.[2]　罗本成,原魁,楚坤水,等.一种超声测距的鲁棒自适应建模方法[J ].机器人,2002,24(1):554-558.[3]　杨劲松,王敏,黄心汉.超声波可变阈值测距装置[J ].电子技术应用,1998,24(7):7-9.[4]　王春麟.提高超声回波检测测距精度的方法[J ].电测与仪表,1995,(2):22-24.[5]　童峰.自动导引车超声导引系统研究[D ].厦门:厦门大学,2000.[6]　Figueroa J F ,Doussis E.A hardware 2level method to im 2prove the range and accuracy of an ultrasonic ranging sys 2tem[J ].ACUSTICA ,1993,78:226-232.[7]　John S Lamancusa ,Fernando Figueroa J.Ranging errorscaused by angular misalignment between ultrasonic trans 2ducer pairs[J ].J.Acoust Soc.American ,1990,87(3):1327-1335.[8]　童峰,许天增.一种移动机器人超声波导航系统[J ].机器人,2002,24(1):55-61.[9]　Teruko Yata ,Lindasy Kleeman ,Shin ′ichi Yuta.Fast 2bea 2rin measurement with a single ultrasonic transducer [J ].The International Journal of Robotics Research ,1998,17(11):1202-1213.[10]　Lindsay kleeman ,Oman Kuc.Mobile robot sonar for tar 2get localization and classification [J ].The International Journal of Robotics Research ,1995,14(4):295-318.A High Precision U ltrasonic R anging Method underMisalignment of T ransducer P airsSUN Qian 2yu ,TON G Feng ,XU Xiao 2mei 3(Key Laboratory of Underwater Communication and Marine Information Technology of MO E ,Xiamen University ,Xiamen 361005,China )Abstract :To tackle the precision degradation caused by misalignment of transducer pairs in mobile robot localization ,an adjust 2ment strategy based on normalized waveform parameter is proposed to derive a high precision method for wide 2field ultrasonic ran 2ging.Presently most investigation on high precision ultrasonic ranging focused on the amplitude fluctuation induced by random air medium.Nonetheless research indicated that the impact of transducer misalignment on reception signal waveform can be modeled as a low 2pass filter ,which will cause waveform distortion of reception signal.Thus the performance of traditional approaches to improve the ultrasonic ranging precision such as automatic gain control (A GC )or variable threshold will be seriously affected un 2der misalignment of transducer pairs.In this paper ,with theoretical analysis and experimental research on the impacts of transducer misalignment ,the relationship between the rising edge and characteristic width of normalized waveform is investigated ,which is used to develop an adjustment approach and design a SCM (Single Chip Microcomputer )based high precision wide 2field ultrasonic ranging system.The experimental results show this system greatly improves the ranging precision under transducer misalignment ,validating the effectiveness and convenience of the proposed pared with traditional A GC type method ,it improves the ranging preci 2sion by about 1.6%.K ey w ords :mobilerobot localization ;ultrasonic ranging ;angular misalignmen・715・第4期孙牵宇等:一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法。

一种高精度超声波测距方法的研究

图１双比较器整形电路工作原理Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈｄｕａｌｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓ
在图１中，Ｖｍ为峰值电压；Ｖ１为比较器１的阀值
电平；Ｖ２为比较器２的阀值电平；ｔ０为回波前沿所对应
图２系统结构框图Ｆｉｇ．２Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
２．１超声波的发射本系统由单片机软件产生４０ｋＨｚ脉冲通过
８９Ｃ５２的Ｐ１．０口输出，单片机输出的ＴＴＬ脉冲通过单管变压器耦合功率放大电路实现功率放大，超声波发射传感器直接接在变压器的输出端，加在超声传感器两端的电压信号是幅值大约１００Ｖ，频率为４０ｋＨｚ的正弦波，ＴＣＦ４０－１６超声传感器在这个电压的作用下，产生４０ｋＨｚ的超声波．２．２接收电路
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－９１０（２２００６）０３－００３５－０４
超声波测距是一种非接触式检测方式，在使用中
不受光照度、电磁场、被测物色彩等因素的影响，加之
信息处理简单，速度快，成本低，在机器人避障和定
位、车辆自动导航、液位测量等方面已经有了广泛的
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一种高精度超声测距方法的研究

Study of a N ew U ltrasonic Distance Measurement Methodwith High PrecisionW A N G Wensheng,Q I Guangx ue,W EN S huhui,FEN G Bo(Yanshan U niversity,Qinhuangdao Hebei066004P.R.China)Abstract:　A new method for ultrasonic distance measurement based on ultrasonic circulation and multi2pulse e2 cho principle is presented in the paper.The ultrasonic distance measurement system based on the single chip mi2 crocomputer is given.This method can conquer the limitation of pulse2echo times and improve the accuracy of measurement after temperature compensation.K ey w ords:　ultrasonic distance measurement;high precision;temperature compensation一种高精度超声测距方法的研究①王文生,齐广学,温淑慧,冯　波(燕山大学,河北　秦皇岛　066004)摘要:本文介绍了一种基于超声波循环反射测量原理的高精度超声测距方法,并给出了以单片机为核心的测距系统的组成.本测量法克服了多次反射法中对回波脉冲个数的限制,经温度补偿后测量精度得到了明显改善.关键词:超声测距;高精度;温度补偿中图分类号:TB559 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2002)03-0219-031　引　言超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法,和激光、涡流和无线电测距方法相比,具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点,在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力,且结构简单,成本低,因此在工业控制、建筑测量、机器人定位等方面得到了广泛的应用[1,2].但由于超声波传播声时难于精确捕捉,温度对声速的影响等原因,使得超声波测距的精度受到了很大的影响,限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用,为此,本文提出一种改进后的超声反射测距方法,并设计了以单片机为核心的超声测距系统.2　超声波循环反射测量原理脉冲反射法,又称回波法,是利用超声波在介质中传播遇到声阻抗有差异的界面时产生反射现象来工作的.根据反射次数的不同,可分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法.多次脉冲反射法是目前最常用的一种超声测距方法,它是指一个超声脉冲多次往返于超声探头与被测界面之间,通过检测电路得到各个超声波发射和接收的波形,再由波形整形后得到相当于超声波传播声时的方波信号[3].由此声时和超声波在已知介质中的声速便可以得出距离,超声波探头到被测物体的距离公式为:x=nc2kf r(1)2002年9月传　感　技　术　学　报第3期①来稿日期:2002204215其中:x ———超声波探头到被测物体的距离;c ———超声波在介质中的传播速率;k ———反射回波个数;f r ———时标(晶振);n ———测距时间内的脉冲计数值.应用多次脉冲反射法进行测量时,由于超声波能量在传播过程中逐渐损耗,所以有效回波只有四或五个.当测量的分辨率要求在微米级时,对所需时标晶振的频率要求依旧很高,且电路调试困难,但若利用第K 个回波产生一个反馈信号,再次激发超声波发射电路使之产生一个新的用于测量的脉冲,从而实现声循环,这就是声循环多次脉冲反射法测量原理,假设反馈次数为m 则式(1)表达为x =nc 2kf ′r m(2)在分辨不变的条件下,将计数频率减至原来的1/m ,从而保证了测量精度和线路的稳定性.同时也就是说在低频时标晶振下实现高的分辨率.3　测距系统组成按照超声波循环反射测量原理设计的测距系统如图1所示,其中k =4,m =4.系统以单片机为核心,主要由超声波收发电路、循环反射电路、温度测量电路和计数电路组成,另外还附有键盘及显示部分.图1　超声测距系统构成3.1　超声收发电路本系统是选用以水为介质而设计的,且测试距离小于15cm ,采用压电陶瓷振子制作的水浸式单探头,为了提高检测精度,选用工作频率为10MHz 的超声波换能器.最初的控制信号来自单片机,发射电路由窄脉冲触发电路后接功率放大器,并采用电磁耦合方式隔离数字电路和模拟电路,以减小两者间的相互干扰.接收电路中由于接收的回波幅值很小,不能够推动后级电路工作,采用集成电路U PC1018C 对回波信号进行放大,可以得到令人满意的4个回波.同时也必须在它和发射电路间加上电磁隔离减少干扰.3.2　循环反射电路首先,单片机给出初始脉冲经或门触发超声波发射电路,同时触发单稳触发器2,然后单稳2的反相输出给与门2用来屏蔽在发射超声的同时在接收端产生的脉冲信号,其同相输出去触发两个R 2S 触发器,此时打开与门3,关闭与门4和与门5,计数器1开始对回波脉冲进行计数,当计满3个脉冲后,计数器1触发单稳态触发器进而触发R 2S 触发器,打开与门4,使第四个回波通过,作为反馈信号经过或门再次触发超声波发射电路,从而实现了声循环反射原理的应用,计数器2用来控制循环次数,当循环四次后,通过触发R 2S 触发器来关闭与门3,打开与门5,使最后一个回波通过去触发R 2S 触发器2,其输出脉冲宽度即是总的超声波传播声时.由于超声波发射与接收之间存在电路延时,当循环次数增加时,延时是比较长的,必须在声时中除去,因此,电路中采用单稳1产生一个宽延时脉冲,用来提取发射脉冲经电路延时后在接收端产生的脉冲信号,图中R 2S 触发器1的输出脉冲宽度即为电路延时时间.3.3　温度测量和计数电路由于超声波在水中的传播速度受到水的温度和压力等因素的影响,受温度的影响尤为明显,而测距精度由超声传播时间和声速决定,所以必须对声速进行温度补偿.水中声速与温度的关系如下式:22 传　感　技　术　学　报 2002年c =1449.2+4.623t -0.054t2(3) 采用AD590作为温度传感器,其电压信号经AD 变换后给单片机,计算出实时的声速,消除温度的影响,AD590线性度良好,且是电流输出型器件,精度不随引线的长度变化.计数电路的精度主要取决于时标晶振的频率和稳定性.为了实现高精度测量,必须提高分辨率.若以声波在水中速度为1500m/s 计算,分辨率要求为1μm 时,则对时标晶振的频率要求大约为47MHz ,因此选用频率为50MHz 的恒温时标晶振,实现了对声时的高精度计数,即可以得到准确的声时.4　结　论 (1)　本文在超声波多次反射测距方法的基础上,提出声循环反射测量法,并设计了高精度测试系统,在时标晶振频率不变的情况下使分辨率提高了四倍,大大改善了测距的精度.(2)　采用AD590温度传感器设计了声速温度补偿通道,可测出实时声速并及时补偿.(3)　设计了超声发射接收延时的提取电路,改善了声时的准确性.参考文献[1]　Grmmel PM.Improve ultrasonic detection using the ana 2lytic signal magitade[J ].Ultrasonic ;1981;19(2):73～76[2]　翟国富,刘茂恺.一种实时高精度的机器人有超声波测距处理方法[J ].应用声学,1990;(1):17～24[3]　Marioli ,et al.Digital time 2of 2flight measurement for ul 2trasonic sensors [J ].IEEE Trans Instrument Means.1992;41(1):93～97作者简介王文生(19762),男,河北省人,燕山大学测试计量技术与仪器专业的硕士生.主要从事模式识别及光电检测方面的研究.122第3期王文生,齐广学等:一种高精度超声测距方法的研究。

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。

基于小波变换高精度在线超声波测距技术研究的开题报告

基于小波变换高精度在线超声波测距技术研究的开题报告一、研究背景及意义超声波测距技术是一种非接触式、高精度的测量方法，被广泛应用于工业自动化控制、机器人技术、安防监控等领域。

随着科技的不断发展和应用需求的增加，对超声波测距技术的精度和实时性要求越来越高。

目前，超声波测距技术主要使用的是时间飞行法和频率测量法。

时间飞行法适用于短距离测量，但存在精度不高、干扰较大等问题；频率测量法可实现高精度测量，但需要对信号进行数字化处理，计算复杂，且实时性差。

为了解决上述问题，本文将研究基于小波变换的超声波测距技术，利用小波变换对信号进行处理，可提高信号处理的实时性和精度，满足实际应用需求。

二、研究内容及方法1. 研究小波变换原理及算法，分析其在超声波信号处理中的应用。

2. 设计超声波测距系统，包括发射和接收电路，用于获取实验数据。

3. 采集实验数据，并对数据进行小波变换处理，提取出超声波信号中的有效信息。

4. 对处理后的数据进行反变换，得出距离测量值。

5. 对比小波变换法和传统测距方法的实验数据，分析小波变换法在测距精度和实时性方面的优势。

三、预期研究成果及意义1. 本研究将探索小波变换在超声波测距中的应用，实现高精度、高实时性的测距方法。

2. 建立超声波测距系统，获取实验数据，并对数据进行分析和处理，得出实验结果。

3. 对比小波变换法和传统测距方法的实验数据，证明小波变换法在测距精度和实时性方面的优势，为超声波测距技术的应用提供新的方法和思路。

总之，本研究对于提升超声波测距技术的精度和实时性具有一定的参考意义，也为小波变换在信号处理中的应用提供新的思路和方法。

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。

一种高精度超声波测距系统设计与实现

【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］Ｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；Ｃｈｉｐ；ＣＸ２０１０６Ａ０引言
（１）传统的测距方法传统的测距方法是使用尺子来测量。包括各种各样的尺子，如米尺、卷尺、螺旋测微器、游标卡尺等等．这些测量工具均需要通过人的肉眼来观察测量的结果。往往由于人的个体差异，可能相同的物体所得到的测量结果不一样由于尺子的长度有限．所以测量的距离也受到限制。基于以上原因，需要采用一种自动化的测量方法．来克服上述测量的缺陷。（２）现代的测距方法现代测量距离的方法有很多种．如采用超声波、激光等不同的物理量来进行测量．然后将测量的结果转换为距离的间接测量手段越来越多。而且这些测量方法均较前面的方法所测的范围更宽、测量的精度更高。超声波以其容易控制、并且无危害等特点在测距领域广泛使用。下面来介绍超声波的测距方法（３）超声波测距方法介绍超声波的传输速度为３４０ｍ／ｓ，而实际会有些许调整。使用上，通过发送装置来先发送超声波，然后检查回波的方法来测量。通过发送、接收的时间差可得超声波走过的距离．然后将所得的距离除以二即为所测的距离
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＡＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＲａｎｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍ
ＹＡＯＷｅｉ－ｐｅｎｇ
（Ｘｉ ’ ｎａＡｅｒｏｔｅｃｈｉｃｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ’ ｎａＳｈａａｎｘｉ，７１００７７，Ｃｈｉｎａ）

一种高精度超声波测距仪测量精度的研究

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
Ψ( t) =
12πe -
(
2
t/
2)β2
ejωt
(3)
式中 : j = - 1 ,β 为形状控制参数 , 当取 β = 1
时. 其实部、虚部及模如图 3 所示.
图 2 超声波测距仪结构及测量示意图 Fig. 2 The structure of ultrasonic distance measurement
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

基于一种高精度超声波测距仪的研究

３ｍ远的距离，然后给ＬＭ３５８做电压比较得到，ＩＴｒＬ方波信号给单片机接收。次接收电路中只需要提供一个１０ｕｓ以上脉冲信号，该模块内部将发出８个４０ｋｈｚ周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与测量的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离：距离＝高电平时间× 声速（３４０ｍ／ｓ）／２。此电路的缺点是ＬＭ３２４其对４０ｋｈｚ的信号放大时，放大倍数受到频率高的限制，即增益带宽积ｆＨｘＡｕ，使放大倍数最高位２０，这是经过示波器多次数据测量和观察的结果。 ’ ４超声波测距注意问题及改善方法通过对本系统的实验在测距过程中需要注意以下问题：４．１温度影响测量精度：稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件．。而超声波在空气中传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响。其中温度影响最大，超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为：ｃ＝３３１．４５
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、ＣＣＤ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

一种改进的高精度超声测距方法研究

隔。详细介绍了系统工作原理并分析了该方法的理论误差，绍了超声测距系统的的实现方案、成结构及软件设计。介组选用表面光滑的静电板为被测物体进行了测距实验，２０ｎ在０ｒｍ￣１０ｍ２０ｍ测距范围内，大测量误差不超过８最ｍｍ，实验结

ＣＭＰＵＴＥＲＯＴＥＣＨＮＯＩ；ＡＮＤ￣ＫＹＤＥＶＥＩＰＭＥＮＴＸ）
计算机技术与发展
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一
种改进的高精度超声测距方法研究
ｗａｓｏａｕｉｇｓｈｍｅａｄｔｅｓｍｃ￣ｅｏｈｙｔｍｄｔｅｓｆｗａｅｄｓｇｓＳｉｔｏｕｅａｅ．ｅｓｓｅ ’ ａｉｍｙｆｍｅｓｒｎｃｅｈｔｔｆｔｅｓｅａｈｏｔｒｅｉｎａｏＷａｒｄｃｄｉｐｐｒＴｈｙｔｍｓｍｘｍｕｎｓｎｌｎｎ
ｓｒｂｄ，ｗｈｃｅｄｌｔｄｔｅｒｃｉｅｗａｅａｄｔｋｎｃｕｔｏｏｕｓｓｇｔｅｔｃｎｑｅｏｉｇｅｃｉｏｃｅｋｕｈｒｒｃｅｉｉｈｄｍｏｕａｅｈｅｅｖｖｎａｅｏｎｆｓｍｅｐｌｅｕｉｈｅｈｉｕｆｓｎｌｈｐｔｈｃｐｔｅｆｗａｄｎｏｄｅｏｅｅｖｖ．Ｔｈｒｉｌｆｔｅｓｓｅｗａｅｃｂｄｉｅａｌｎｄａａｙｅｈｈｏｅｉｌｒｏｆｉｔｎｅｍｅｓｒｍｅｔｅｇｆｒｃｉｅｗａｅｅｐｉｐｅｏｙｔｍｓｄｓｒｅｄｔｉ．ａｌｚｔｅｔｅｒｔａｒｒｏｓａｃａｕｅｎ．Ｔｈｎｃｈｉｎｎｄｃｅｄｅ

高精度超声波测距设计

高精度超声波测距实施方案与分析引言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。

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；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。

一、超声波测距基本原理与误差分析从原理上讲，超声波测距有脉冲回波法、共振法和频差法。

其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声波传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量超声脉冲从发射到接收的实践s t ，在已知超声波声速s c 的前提下，可计算被测物的距离S。

单片机根据脉冲发射时间和接收到回波的时间计算出时间差t ，即超声波在空气中传播的时间，并由式(1)：s s t C 21S (1) 计算出距离S ，式中参数s c 是超声波在空气中的传播速度，由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的实践很难精确测量。

这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。

本文从引起超声波测距误差的原因入手，分析了；①、温度对超声波声速的影响；②、回波检测对时间测量的影响；③、超声波传感器所加电压对测量精度和范围的影响；④、超声波传播过程中脉冲被展宽对接收精度的影响。

一种高精度超声波测距系统的改进

一种高精度超声波测距系统的改进第一篇：一种高精度超声波测距系统的改进在现代工业生产过程中,利用超声波进行近距离非接触式测量越来越广泛，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。

根据超声波纵向分辨力高、对色彩和光照度不敏感、抗电磁干扰能力强等特点，可以设计出精度较高的超声波测距系统，应用于漫反射差和有毒等恶劣环境中。

但传统的超声波测距仪由于采用固定阈值的比较器比较输出，测量精度普遍较低[1]。

本文从回波信号处理的角度出发，分析了超声波回波曲线的特性，利用回波包络的峰值检测以确定回波到达时刻的方法，并介绍一种以89C52单片机为核心、具有自动增益控制和峰值包络检测、高精度的收发一体式超声波测距系统的硬件电路和软件设计。

回波信号包络研究传统的利用固定电平判断回波到达时刻的超声波测距方法存在较大误差。

针对这种误差提出的可变阈值的超声波测距方法，由于干扰信号的存在，超声波测距主芯片会产生误判回波时刻的到来，从而导致测量数据不准确。

超声传感器通过压电晶片的逆效应——电致伸缩，在空气介质中产生超声波。

测距所用超声波一般都是以间断的高压单脉冲发射，每测距一次，需要发射、接收一次。

所以在测距脉冲的发射过程中，传感器晶片经历了起震、加强和衰减三种状态，并产生多个谐振周期的超声波；接收过程中，传感器晶片在多个谐振周期的超声脉冲作用下，通过压电效应在晶片两端产生起伏电压。

厦门大学的童峰等研究了单脉冲发射时超声回波的起伏特性，并根据声的发射、反射理论及应用力——声类比，推导出了理想条件下的测距回波包络曲线方程[2]。

在此理论基础上，通过大量实验，每次发射1个脉冲宽度为时间?子的脉冲，来验证这种超声波回波起伏特性。

图1为通过放大、带通滤波、AGC电路以后，用T ektronix数字存储示波器存储得到的回波波形。

可以验证：超声回波在脉宽时间处，电压峰值达到最大，和童峰的理论分析基本吻合，这也为本文应用在判断回波到达时刻的处理方法提供了理论和事实依据。

高精度超声波测距

基于CPLD和单片机的高精度超声波测距研究刘建生程铁栋杨丽荣（江西理工大学理学院，江西赣州，341000）摘要：提出了一种基于CPLD和单片机的高精度超声波测距的设计方案。

测距中的时间是通过高精度的晶体震荡器作为时钟信号源来进行计数测量。

同时使用CPLD代替常用的单片机的纯软件方法实现动作控制，以减少误差。

在CPLD电路设计中，充分考虑了延时所造成的误差并予以克服。

关键词：CPLD 单片机超声波测距中图分类号：TP386 文献标识码：A 文章编号：A DISTANCE MEASUREMENT OF ULTRASONIC TELEMETER BASED ON CPLD &MICROCHIPLIU Jina-sheng Cheng Tiedong Yang Lirong(Faculty of Science, Jiangxi University Science & Technology, Ganzhou 341000, China) Abstract: a distance-detecting measurement using CPLD& microchip and ultrasonic telemeter is presented. Time interval is measured by high-precision crystal oscillator clock source. In order to reduce error, CPLD is used to control the system instead of software of microchip. The error due to delay is considered and eliminated during CPLD circuit design.Keywords: CPLD Microchip Ultrasonic telemeter in distance-measuring1引言以往利用超声波测量距离往往采用单片机单机系统（由单片机软件控制发射、接收及计数器的关停与启动），这种方法所带来的误差在厘米级[1]。

高精度的超声波测距系统

高精度的超声波测距系统张平，郭慧机电工程学院，中国电子科技大学成都，611731，中国邮箱：zhangping3344521@163.con摘要超声波易于传输，具有良好的反射性能，它的速度远远低于飞行速度，所以设计了一种基于STC89C52RC的超声波测距系统，该系统可在有关范围内有效372厘米，经过反复试验，测量误差可以小于到1厘米，所以该系统可应用于智能障碍与车辆运输和其他系统。

关键词单片机超声波发送接收测距温度补偿1 引言目前，超声波测距的主要方法包括脉冲反射波法、相位调制频率调制和FFT-based方法。

在这些方法中，脉冲反射波法具有良好的适应性,这种方法不仅可用于手工测试，而且可结合到自动化系统中。

所以它最广泛使用是在家里和船上。

目前，微波和激光理论测距已应用于超声波测距系统。

它可以是一个很好的研究。

另一方面，过滤和分析的回声也可以吸引更多的和许多专家和学者的关注。

随着提高超声波理论的理解，我们知道如何提高精度和抗干扰能力将是最重要的性能指标。

在本文中，脉冲回波理论是用来整个系统的设计。

下面的内容主要是分为三个部分。

第一部分介绍该系统的硬件体系结构。

第二部分介绍了系统的软件处理。

第三部分描述了数据处理技术。

在这种情况下，读者可以有一个全面的对系统的理解。

2 超声波测距系统的原理考虑了实际工程的需要，我们选择超声波，频率为40千赫。

超声波传感器是这种装置可以感应声音和电力，也被称为超声波换能器、超声波探头。

在某些频率范围内，它可以将电信号转换为体外超声信号或改变外部超声信号为电信号。

在本文中，我们选择T / r40-12超声压电换能器，它的工作频率40千赫，它的外部直径12cm。

超声波发生器发出的超声波信号在一个一定的时间里，超声波信号经过被测对象反射后，超声波接收器能接收信号，只要我们记录发送的时间和接收时间，我们可以计算出从超声波发送地到被测物体的距离。

这个距离计算公式为：D=S/2=VxT/2 （1）D是测距装置和测量对象之间的距离S超声波运输距离V是超声波的速度。

高精度超声波智能测距仪的设计与实现

高精度超声波智能测距仪的设计与实现高精度超声波智能测距仪的设计与实现超声波是频率高于20KHZ的声波，它指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。

利用超声波检测迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，在使用中不受光线、粉尘、电磁波等因素影响，且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制、避障、车辆的定位与导航、液位测量等领域应用广泛。

1超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，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停止计时。

已知超声波在空气中的传播速度为c，根据计时器记录的发射和接收的时间差t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=c t/2。

2误差分析根据超声波测距原理s=c t/2，可知影响测量距离准确性的因素有两个：传播速度c和时间差t。

所以尽可能地消除这两个因素的影响就可以提高测量的精度。

超声波传播速度在固体中最快，在气体中最慢。

超声波在空气中传输速度和温度有关，温度越高传输速度越快。

如果环境温度变化明显，必须考虑温度补偿问题。

空气中超声波传输速度和温度关系表示为：c=331.45＋0.607T(m/s) 式中T为环境温度，℃。

常温下超声波传播速度是340m/s,由于反射式测量有两倍的测量路程，则被测距离和测量时间的关系为d=340/2 t，即计时1us 对应被测距离为0.17mm。

所以采用计时器的计数频率为1MHZ 时，对应的测距最小分辨率为0.17mm。

这种分辨率已满足绝大多数工业测量的要求。

3系统硬件设计图1系统硬件框图 3.1超声波发射电路图2超声波发射电路图3.2超声波接收电路超声波接收电路负责接收超声波信号.并将超声波信号转换成单片机能识别的电信号。

超声波换能器在接收到超声波信号时，由于压电效应会在两个接头上产生微弱的电压信号。

利用这一性质，设计前置放大电路，带通滤波、自动增益控制电路和整形电路，将模拟信号转变成为数字信号。

一种精密型超声波测距系统的方案研究

一种精密型超声波测距系统的方案研究摘要：随着科技的快速发展，在测量领域中，对超声波的使用越来越高，本文主要研究一种为TDC-GP2芯片与ATM系列单片机核心器件所构成的精密型超声波测距系统，希望对同行有所帮助。

关键词：超声波，测距系统，方案Abstract: with the rapid development of science and technology, in the measurement field, the higher of the ultrasonic waves are used, this paper mainly studies a is composed of TDC-GP2 chip and ATM MCU core device precision ultrasonic ranging system, and they hope to be helpful.Keywords: ultrasonic ranging system, scheme,一、引言超声波由于指向性强，能量消耗缓慢，传输距离较远，在距离测量如测距仪和物位测量仪等领域中应用十分广泛。

目前，常用于实现超声波测量功能的实现方案有离散器件实现、集成电路实现和专用超声波测量芯片实现等三种。

第一种方案成本低但器件参数较分散，测量准确度和距离受到限制; 第二种方案，借助于集成电路实现，如常用的采用音频芯片CX20106A实现，由于受到芯片敏感频率的限制，测量的精度和距离受到限制; 第三种方案，采用专用的超声波测量芯片实现，测量精度高，相对成本高一些。

本文提出一种基于德国ACAM公司高精度时间数字转换芯片TDC-GP21的实现方案。

二、超声波测距系统的构成超声波测距系统构成如图1所示。

控制芯片选用ATMEGA8A，它是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于A VR RISC结构的8位单片机，自带SPI接口，可以达到接近1MIPS/M的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。