一种高精度超声波测距方法的研究

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应用，另外，超声波测距方法也可应用到微地貌的测量中．

用于测量距离的超声波的通常是由压电陶瓷的压电效应产生，该传感器有两块压电晶片和一块共振板，当它的两极加脉冲信号频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波，超声波经固体表面或液体反射折回，由同一传感器或相邻布置的另一传感器接收，测量超声波整个运行时间ｔ，可得到发射点与反射点的距离ｓ为

ｓ＝ｃ・ｔ／２．（１）

对一般流质媒质而言，声波是一种纵波，传播速度为：ｃ＝Ｅ／ρ!，式中Ｅ为媒质的弹性模量，ｋｇ／ｍｍ２

；ρ为媒质密度，ｋｇ／ｍｍ３

，ｃ是复数，其实数部分代表传播

速度，虚数部分与衰减常数有关，ｍ／ｓ．声波的传播与媒质的弹性模量、密度、内耗等因素有关．

１

超声波测距误差分析

１．１

环境温度对测量精度的影响

从上述分析可知，利用超声测距要考虑媒质的弹

性模量和密度对声速的影响．在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度的变化，气体中声速主要受密度影响．超声波在固体中传播速度最快，气体中传播速度最慢．气体中声速受温度影响最大，超声波在空气中传播速度为

Ｃ＝３３１．４×１＋Ｔ／２７３!．

（２）

式中Ｔ为环境摄氏温度．

１．２回波前沿检测误差对测量精度的影响

超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到

被测物反射后，再传回超声传感器．整个过程，由于吸收衰减和扩散损失，声强随目标距离增大而衰减；同时衰减系数还与超声波的频率有关，ａ＝ｂ・ｆ２波波动方程可描述为

Ａ＝Ａ（ｘ）・ｃｏｓ（ωｔ＋ｋｔ）＝Ａ０ｅ－２ａｘｃｏｓ（ωｔ＋ｋｔ）．

（３）

式中Ａ为超声传感器接收的振幅；α为衰减系数；

湖南科技大学学报（自然科学版）

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）

一种高精度超声波测距方法的研究

赵海鸣１，卜英勇１，王纪婵１，周知进２

（１．中南大学机电工程学院，湖南长沙４１００８３；２．湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭４１１２０１）

摘要：介绍了超声波在空气中的传播原理，分析了超声波测距产生测量误差的主要原因，即环境温度变化引起速度的变化，回波前沿的确定偏差引起测量时间的误差是引起测距误差的主要原因．提出通过温度测量修正传播速度，

应用双比较器整形结合软件查找回波前沿以提高空气中测量精度的方法．在此基础上，设计了相应的超声波测距系统并与单比较器测量系统进行了对比实验，研究表明，双比较器整形方法能够有效的提高测量精度，而且相对其他高精度超声波测距方法，该方法电路简单．图４，表２，参８．

关键词：超声波；测距精度；回波前沿；单片机中图分类号：ＴＭ９３０

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－９１０２（２００６）０３－００３５－０４

收稿日期：２００６－０４－１２

基金项目：

国家自然科学基金资助项目（５０４７４０５２），湖南省教育厅一般项目（Ｂ３０４１５）作者简介：赵海鸣（１９６６－），男，湖南邵阳人，博士生，主要从事机电一体化以及海洋采矿装备和微地貌测量与可视化研究．

Ｖｏｌ．２１Ｎｏ．３

Ｓｅｐｔ．２００６

第２１卷第３期２００６年９月

ｘ为超声波传播距离；ω为角频率；ｋ为波数．从上述分析可知，超声传感器接收到信号幅值随距离增大而减小，远目标回波信号幅度小、信噪比低，可能导致越过门槛的时刻前后移动，从而影响计时的准确性，这会影响测量的准确度和可重复性．为了提高超声波测距的精度，需要准确地检测到第一个回波脉冲前沿的到达时间，有些研究提出可以通过Ａ／Ｄ采样和数字处理，如小波分析等方法确定回波前沿，这些方法可以提高测量精度，但电路复杂，需要处理的数据量大，用单片机难以实现．为此，本文提出了双比较器整形确定回波前沿的方法．其工作原理如下图１所示．

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为回波前沿所对应的传播时间，ｔ１为比较器１翻转所对应的时间；ｔ２为比较器２翻转时对应的时间．将两比较器翻转点ｃ、ｂ连接并延长与横轴交于ａ点，很容易求出ａ点所对应的时间ｔ０＇．ｔ１、ｔ２为单片机直接测量得到的时间，通过几何分析可以求出ｂ点或ｃ点到ａ点的时间差，设ａｂ段的时间为ｔａｂ，ａｃ段的时间为ｔａｃ，有下式成立：

Ｖ１Ｖ２＝ｔａｂ

ｔａｃ

＝ｔ１－ｔ０＇

ｔ２－ｔ０＇

．（４）

由上式可得，ａ点所对应的时间ｔ０＇可表示为

ｔ０＇＝Ｖ２・ｔ１－Ｖ１・ｔ２

（Ｖ２－Ｖ１）

．（５）式中Ｖ１，Ｖ２为电路调试时确定的比较器参考电压为已知量，ｔ１，ｔ２为测量值，从图中可以看出以ａ点所对应的时间ｔ０＇代表回波前沿时间ｔ０计算测量距离要比直接用ｔ１，ｔ２直接计算距离精度要明显提高，本系统经实验确定两个比较器的参考电压为：Ｖ１＝２．５Ｖ，Ｖ２＝３．８Ｖ．

２系统设计

针对温度和超声波传播中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２所示的超声波测距系统，主要包括以下几个组成部分：超声传感器ＴＣＦ４０－１６，本系统中采用发射传感器与接收传感器分体形式．采用发射电路产生４０ｋＨｚ的发射信号，接收电路设计了双比较整形电路和温度检测电路．

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

超声波在空气中传播，遇到目标反射回来，会引起接收传感器产生压电效应，不同灵敏度的传感器在相同声强下输出信号不同，而同一类型传感器的输出信号随测量距离，反射表面的变化很大．本系统中经实验测量得到，在发射面为光滑水泥面，距离为１ｍ时接收传感器的输出信号幅值约为５０ｍＶ，如果反射表面粗糙，测量距离增大，传感器输出信号会变小．同时由于空中有各种频率的电磁干扰信号，在进行整形之前必须对信号进行滤波，本系统设计了放大电路和带通滤波电路，如图３．

放大电路由两片精密运算放大器ＯＰ３７和Ｒ、Ｃ网络构成．ＯＰ３７是高速宽带运算放大器，其转换速率为１７μｓ，增益带宽乘积为６３ＭＨｚ，可单电源供电．电源电压为１２Ｖ．

回波信号经过二级放大后，电压幅值得到大大提高．为了消除噪音信号的影响，放大后的信号需要进

图１双比较器整形电路工作原理

Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈｄｕａｌｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓ

图２系统结构框图

Ｆｉｇ．２Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

图３放大滤波电路

Ｆｉｇ．３Ｃｉｒｃｕｉｔｏｆｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ＆ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ－ｗａｖｅ