一种高精度超声波测距处理方法

　　0　引　　言

　　由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点,是作为液体高度测量的理想手段[1],超声波测量液位的方 法有多种,这里介绍一种最常用的回波测距法:当超声波入射到两种不同介质的分界面上时会发生发射现象,根据这一特性,周期地向气—液分界面发射超声波脉 冲,在界面处将周期地产生反射波,测量出发射波与反射波的时间间隔。这个时间间隔随着液位的改变而变化,应用测时电路把时间间隔的变化转换为距离值并显示 出来。如图1所示,从探头到液面的距离为h,超声波在(液罐内)空气中的声速为c,从发射发射波到接收反射波的时间间隔为t,此时距离h的表达式为:从式1可看出液位高度h是时间t的函数,只要测出反射回波的时间间隔t,h就可以计算出来,这就是回波测距法的原理。

       从式1可看出液位高度h是时间t的函数,只要测出反射回波的时间间隔t,h就可以计算出来,这就是回波测距法的原理。

　　1　由超声波传播速度引起的测量误差分析

　　根据超声波测距公式h=12ct,可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。其中超声波传播速度误差由下列原因 导致:一年有12个月,在大部分地区,四季不同,气温不同,对于密封液罐,其液位上方空气的湿度,温度,压强,内含物比例皆不同,这些对超声波的传播速度 都有影响,其中最主要的是温度和湿度影响。比如在常压的室内空气中超声波的传播速度常为:c=331.5+0.607T(T为温度) (2)实际上在密封液罐内超声波的传播速度并非如此简单,是随环境的变化而变化的,如表1是在仅考虑了温度和湿度情况下用物理的方法测得的超声波速度的比 较。

　　如果仅用温度补偿后的式(2)来求解距离,则距离愈远(t大),误差越大。所以超声波传播速度的准确性对回波测距结果的精确度起一个关键性作 用,由上述各测量值知:超声波传播速度c与温度、湿度之间是一个非线性函数,通常非线性函数的表达式很难精确求解,但可以利用神经网络能很好地逼近非线性 函数的特点,建立神经网络模型来逼近该函数。

　　2　BP网络模型对超声波传播速度的求解

　　误差反传训练算法(back-propagation network ,简称BP网络)是将W-H学习规则一般化,对非线性可微分函数进行权值训练的多层网络。图2描述了一个三层BP网络,有r个输入节点,一层隐含层(包含 S1个节点),S2个输出节点,q组样本。BP网络的学习过程由前向传播和反向传播组成,BP算法把学习过程分为两个阶段:第一阶段(前向传播的过程), 给出输入信息通过输入层,经隐含层,逐层处理并计算每个单元的实际输出值传向输出层;第二阶段(反向传播过程),如果在输出层不能得到期望的输出值,则逐 层递