超声波式数字测距仪的研究

　　1　引言

　　超声波传感器虽然早已经广泛地被使用,但还存在着发射超声波的探头直接对接收超声波的探头的影响、超声波的传播速度随着温度的变化,以及其它干扰信号对测量的影响等问题。这几个问题一直是设计人员所关心的问题,它们影响着超声波传感器的性能及其测量精度。这里对这几个问题提出了解决的方法。

　　2　测量原理

　　从图1知道被测距离:

　　式中:M—两探头之间中心距离的一半。

　　将(2)代入(1)中得:

　　又知道超声波传播的距离为:

　　式中:v—超声波的传播速度;

　　t—超声波从发射到接收所需要的时间。

　　将式(4)代入式(3)中,得被测的距离:

　　在式(5)中,超声波的传播速度v在一定温度下是一常数(例如在温度T=0时,v=331.45m/s);当被测的距离H远远的大于M时,cos[arctg(M/H)]≈1,所以式(5)变为:

　　从式(6)知道只要测量出超声波传播的时间t,就可达到测量距离H的目的。

　　超声波传播时间的测量过程如下:

　　振荡器发出的频率信号f1,如图2(a)所示,这时发射超声波的探头T也发出如图2(a)所示的超声波信号f1,同时f1也送入单片机中,单片机一旦收到f1信号,这时单片机开始计数,等到接收超声波的探头R接收到如图2(b)所示的信号f2时,单片机立即停止计数。这时,可以从单片机中所计量的脉冲个数推算出超声波所传播的时间t,将此时间t在单片机中进行式(6)所示的计算,即可达到测量距离H的目的。

　　3　存在的问题及其解决的方法

　　3.1　发射超声波的探头直接对接收超声波的探头的影响

　　发射超声波的探头T发出的超声波一部分直接传送到接收超声波的探头R中,如图1中所示,其波形图如图3所示。

　　从图3知道发射超声波的探头T发出的超声波一部分直接传送到接收超声波的探头R中,如图3(b)中所示的波形①。此波形为干扰信号,这里要想办法除去波形①。

　　从图3(b)中知道波形①的幅值比波形②的幅值小,所以这里采用门限电路将波形①除掉,如图3(c)所示。

　　3.2　其它干扰信号对测量的影响

　　这里的超声波为40kHz,所以放大器采用选频放大器,让40kHz频率信号通过,其它干扰信号受到衰减或阻止。由于采用选频放大器,虽然对其它干扰信号受到衰减或阻止,但还有一定幅度的干扰信号,所以在选频放大器后边要采用门限电路,限制干扰信号。最后用施密特触发器除去所有的干扰信号。