基于LabVIEW的超声波测距

　　1　超声波测距方法

　　超声波可以测量距离,但每个换能器都有一个盲区,在盲区内就测不准距离。

　　另一种测距方法是在发射端发射两个频率相差很小的超声波。接收到的波将是一个调制波,即两个正弦波(初相位假设为0)

　　式中　f^₁,f^₂———两个正弦波的瞬时振动位移

　　A———两个正弦波的振幅

　　ω^₁,ω^₂———两个正弦波的的圆频率它们的合成波为

　　其中(ω^₁-ω^₂)/4π为低频,相应的变化称为拍。通过滤波得到的低频波与发射波的低频波两者的相位差就是超声波传送的时间t,然后算出距离。

　　当然,这时也有空间子波的反射,但这是一个固定的叠加信号,幅度也不大,所以对测量影响不大,即不会产生盲区。这时,由于是连续发射的波,发射的能量很大。发射距离较远,且没有盲区,采样频率可以很高(图1)^[1]。

　　实现图1功能的系统框图如图2所示.LabVIEW产生的40 kHz信号传送到Lab-VIEW数据卡NI PCI-6215(采样频率为1 MHz,采样精度为16位),然后连接到超声波换能器。如果数据卡输出的信号没有放大,测量的距离为1 m,精度可以达到1 mm。该法还可用来测量物体的振动,这也显示出了它的优越性。

　　2　由LabVIEW实现鉴相和显示

　　图2的虚线框中的功能全部由LabVIEW完成,并且可方便地进行数据显示(图3)。

　　为了更能说明问题给出了40和41 kHz两个模拟信号(实际输入信号可通过LabVIEW的数据卡输出和输入)。实际波形在环境较恶劣情况下(主要是机械振动装置会产生较弱的超声波信号),需在输入回波的换能器输出端进行预处理。步骤为接收到合成调制波后先进行平方运算,使它成为单边带调制波(图4)以便滤波。单边带调制波进入滤波器控件产生1 kHz低频波,两低频波分别进入具有输出最大值和最小值的控件。这时,它会给出最大值和最大值产生时间。把两个信号中最大值产生时间相减就得相位差(这里两信号波应是完全同一频率的波,由于信号都由同一计算机提供,所以符合要求),再乘以声速就得到距离(由于滤波有延迟或其它影响,所以加了可调整大小的距离校正输入)。

　　实际上该系统不仅仅可以显示静态数据,还可以显示连续变化的数据,即以动态的图形来显示,如物体在振动,那么它就可以显示振动曲线。整个程序称图形化程序,又称G语言,它简单明了,功能强,有希望成为测量系统设计首选方案^[2]。