一种高精度超声测距方法的研究

Study of a N ew U ltrasonic Distance Measurement Method

with High Precision

W 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)03-0219-03

1　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=

nc

2kf 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:

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