超声波测距误差分析及修正方法

    0 引言

    超声波测距是一种利用超声波的可定向发射,方向性好,在介质中传播距离较远等特性,结合电子计数等微电子技术来实现的非接触式检测方式。在使用中不受光线、电磁波、被测物的颜色等因素影响,加之信息处理简单、成本低、速度快。在避障、车辆定位与导航、液位测量等领域得到了广泛的应用。但由于超声波存在回波窜绕现象,温度对超声波在空气中传播速度有较大影响,并且传播过程中存在衰减等,这些干扰因素导致测量中存在一定的误差,因此提高系统测距精度显然是目前需要解决的问题。

    1 超声波测距原理

    用于距离测量的超声波,通常是由压电陶瓷的压电效应产生,这种压电陶瓷传感器有两块压电晶片和一块共振板,当给它的两极加频率等于晶片固有频率的脉冲信号时,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。超声波为直线传播,频率越高,反射能力越强,利用超声波的这种特性,常常用渡越时间检测法进行距离的测量。其工作原理是超声波发射器向介质发射超声波,声波遇到目标后必然有反射回波作用在接收换能器上,测量从发射地至目标地传输所经过的时间,即当换能器发射出超声波开始计时,到超声波经空气传播至目标,再反射回传播至超声波接收器停止计时,测得传播时间为t,由下式可以求出声波发射地与目标之间的距离L,L=C#t/2,式中C为超声波在空气中的传播速度(m/s),t为超声波来回传播的时间,考虑到超声波在空气中传播时有相当的衰减,衰减程度与频率高低成正比,而频率高则分辨率也高,在综合考虑的基础上,实际测量中,一般选用40KHZ的超声波。

    2 超声波测距系统组成

    超声测距系统由单片机控制器、超声波发射电路、超声波传感器、带通滤波电路、自动增益控制电路、峰值检波器、比较整形电路、LCD显示器、温度补偿电路等构成。

    结构如图1所示。单片机是整个系统的控制核心,协调各部分电路的工作。单片机产生的40KHZ的脉冲信号,经放大驱动发射传感器发射同频率的超声波。当第一个脉冲发射后,单片机启动内部计数器开始计数。超声波被反射后再经接收端的超声换能器转换为电信号,经滤波放大后送给检波器,经整形后送单片机,单片机一检测到回波信号,计数器便停止计数,然后单片机再根据计数值和环境温度采集电路采集的现场温度数据,计算出距离,并由显示电路显示出来。

    3 超声波测距过程中误差的分析及修正方法

    3.1 超声波传播速度对测距的影响