影响超声波测距因素的研究

0 引言

超声波测距因其原理简单、结构简单、造价低、非接触无损等优点在各领域应用广泛，如倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量中都有它的身影。但在实际应用过程中，由于超声波在空气中的传播受到各种影响因素的制约，或是超声波测距系统本身设计的不完善，会导致测量精度不够或量程不能满足要求，在较高要求的测量中带来一定困扰。本文从超声波测距的基本原理着手，对测距方法或系统的测距精度和量程的影响因素进行分析总结，归纳出多方面原因，并给出相应的解决方案。希望能够对超声波距离测量的设计者或使用者提供便利。

1 影响超声波测距的因素和解决方案

1.1 温度对超声波测距的影响

环境温度T 会影响超声波在空气中传播速度，会因此影响计算准确性，

它们之间的关系可用下式表示：

331.4m v s = (1)

其中，v 为超声波在空气中的传播速度。1.1.1 基于温度补偿的超声波测距系统[1]

根据声速受温度影响的公式，测出声速随温度变化曲线如图１所示。

由于超声波的传播速度v 受环境温度影响，因此在对精度要求较高的测量中，可以通过温度补偿法予以校正。

根据图1分析可知，如果能精确测量出环境温度的变化，并由此计算出此时声速的误差，即可对其进行补偿。因此，获取环境温度是关键。依靠温度传感器测量温度值直接输入单

片机或电脑，分析数据。温度传感器和单片机构成了一个高精度的温度监测系统。在

-10℃～+85℃内检测误差不超过0.5℃，使补偿后的测距误差不超过测距的0.5%，能够满足较高精度超声波测距的要求。

图1 声速与温度关系曲线

1.1.2 标杆测量法[2]

在温度补偿法中，测距系统需要精确测量环境温度才能保证距离测量的准确性，即温度测量的准确性同样会对测距精度造成影响。为解决这一问题，万振武等提出了使用标杆测距法来降低超声波测距过程中温度等因素造成的误差。该方法不需要测量环境的实时温度，而是依靠两个通道——

标杆通道和实测通道进行测量。标杆通道是通过对标准的距离进行测量，通过测量结果的计算可以得到当前环境的超声波传播速度；实测通道则通过测量超声波的回波时间，并根据标杆通道测得的超声波传播速度，计算得到待测物体的距离，以消除温度等环境因素对测量造成的误差。

根据作者给出的测试结果，通过标杆测量法进行超声波测距能够将测量距离的相对误差提高1%到2%。

1.2 回波信号变化对超声波测距的影响

1.2.1 回波信号衰减因素

在空气中传播的超声波的声强与距离成反比，我们称这

微分电路以及过零比较电路，实现超声波回波信号包络峰值点的准确测量，并将其作为超声波回波到达时间，能够有效提高超声波测距的精度。根据作者的测量，该方法能够将超声波测距系统的误差控制在低于0.5%的范围内。

图3 回波信号时间检波电路波形图

图4 超声波拖尾波形[5]

拖尾现象发生过程中，当余振幅度未低于一定值时，统无法区分余振信号和反射回波信号，该段时间对应的测量距离即测量超声波测距系统的盲区。盲区会影响测距的有效范围与灵活性，对超声波测距的应用造成影响。

余振的幅值可表示为：

()/sin t c U u e t LC

δϖωϕ=+ (3)

在压电换能器等效电路中，设外加信号停止瞬间，电容器C 上电压最大值为U，由公式(3)分析可知，增大衰减系数δ，以及减小初值U,都可以使UC 尽快衰减至零。

而发射功率是随着初值U 的变化而变化，如果能设计一种超声波测距系统，使其发射功率随着测量距离而变化，则既能减小盲区，又不会影响最大测量距离。郗晓田等人即采用了该方案[6]。

作者通过电气设计，使超声波测距系统能够根据测量距离实时调整超声波测距系统的超声波发射功率，即对于较短的测量距离会降低超声波换能器余振的初始幅值，从而使盲区变小，提高短距离测量精度。根据作者实验结果，采用改进后的超声波测距系统能够有效降低盲区15 cm 以上。

另一方面，贺焕林等人采用了提高衰减系数的方案减

小盲区[5]。

作者改进了超声波换能器的辅助电路，在保证不

函数结合的方法，将超声波发射信号做了卷积编码，实现了对超声波回波信号减噪，使得多通道超声波测距的串扰问题得到解决。

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动BIM 的正向设计，但后续需要研究也有很多，例如空调负荷计算，水力计算，设备选型等。虽然距离BIM 达到完全正向设计还有一定差距，但BIM 作为暖通设计的一个有效工具，其势必会结合

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图10 修改后A 端大系统送风管

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