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tiantanium:超声波测距技术改进方法与实现

时间: 2019-01-14阅读:

摘 要随着科学的发展,人们对测距的要求越来越高,但是传统的超声波测距不可避免的存在这样或那样的局限性,这就要求我们不停对超声波测距技术进行改进。这篇文章主要对超声波测距的影响因素进行了分析探讨,并在此基础上提出一些改进的方法。

【关键词】超声测速 高精度 改进方法

随着现代科学技术的进步,对测距的研究和应用日益增多,比如激光测距和超声波测距等等,其中超声波测速存在很大的优势,有非常强的指向性,而且能量消耗慢,在介质中传播速度快,有非常强的环境适应能力,不易被干扰,而被广泛应用,多应用于近距离非接触式测量,如机器人定位,管道长度的测量等应用中,同时在漫反射中和恶劣环境中也有应用。超声波还具有非接触性和非破坏性的优势,这些优势决定了它普遍适应性,它在医疗,材料科学等领域中也是不可或缺的。

1 超声波简介

频率被定义为单位时间内物体振动的次数,它的单位是赫兹,人耳能听到的范围是20Hz~20000Hz,而超声波是人耳无法听到的,其频率范围在20000Hz以上,超声波有其独特的优点,方向性好,能量高,穿透性好。这都是因为超声波拥有极大的能量,因为物体的震动频率越高,能量就越大,超声波可以在极短的时间内震碎一只高脚酒杯。而超聲波加湿器就是利用这一原理来工作的。

2 超声波测距的现状与不足

超声波在实际应用中有很多局限性,如在超声波测距中的某些瑕疵,这就影响到它的检测精确度。首先,超聲波的传播介质是空气,在空气传播中会造成衰减,且衰减程度比较大,而每次的测量距离不一样,就会造成回拨信号的起伏,出现测量误差;其次,是接收方面的局限性,超声波在接收过程中会被展宽,这就会影响超声波脉冲回拨的稳定性,进而影响测距的分辨率造成测量结果不准。另外,外界环境因素也是影响因素之一,这些因素造成超声波的使用有非常大的局限性,使其不能广泛应用。

2.1 国内外对超声波测距的理论研究

最初的超声研究起源于1879年的气哨实验,1912年,在一艘豪华游轮触礁沉没后,人们提出用超声波测距。在1988年,厦门大学童峰,许天源,许天增,合力建立了起伏模型,对检测窗进行了算法,均取得了较好的效果。

超声波测量系统通过几十年的发展,吸收了其他多种学科的知识体系,如电子电路技术,传感器技术等,现已成为一门综合性的研究,它的研究成果不断被应用于生产,生活中,为人们提供了科学技术的保障。

3 超声波测速原理

首先使用超声波测试仪向被测物体发出物理射线,同时开始计时该射线在空气中进行传播,遇到障碍物就会反弹回来,这时候由接收器对反射回来的超声波进行接收,同时停止计时,对检测出的时间和速度进行记录,用速度、时间和距离之间的关系,就能很容易的计算出距离。

被测速离的计算公式为:D=?ct

式中:c为超声波传播速度

t为从发射到接收所需要的时间

常用的超声波测速方法:

目前,有很多的测距方案,比如激光测距,超声波与其相比,时间测量精确度较低,而且超声波测距系统简单易得,计算简单,而且不受空气,天气能见度的影响,在各种场合都能应用。

(1)相位检测法:一种是通过发射不同频率的超声波来实现的,另一种是通过单一的超声波探头进行检测,此方法测距适用于一周期以内,且精度很高。

(2)幅值检测法:先发射一定频率的超声波,接收到的超声波的脉冲强度,可以用反射进行检测,进而求得目标距离,这种方法由于空气中杂质太多,精确度和稳定性易受影响。

(3)时间差法:超声波发射器向某一方向发射超声波,并且开始计时,碰到障碍物时立即返回来,超声波接收到信号,立即停止计时。通过计算检测得到的时间,和当时的声速,就可以计算出距离。

4 超声波测距的影响因素

4.1 温度因素

在超声波速度影响因素中,温度是主要因素之一,不同的温度会给超声波传送速度造成很大的影响,且这种影响是成正比例的,温度越高,传播速率就越高,反之亦然,所以使用超声波测距时,应注意温度的影响,并给予温度补偿,尤其是在测速过程中,对温度的测量要非常精确,充分排除温度因素影响。减少测速误差。

4.2 超声波发射与传播角度的因素

当超声波发射时,会存在一个角度,它与被测物体不一定是垂直90度的,那么它射出光束和接收到反射回来的光就存在误差,在后期要注意校正。

4.3 衰减的因素

在空气中,超声波在空气介质中,传播中受到扩散,散射的影响,其强度随着传播的增加而衰减。

4.4 其他因素

在超声波测距的时候,它的环境和测量工具不可避免的存在误差,无法达到高精度的测量。比如障碍物的质地不同,所以超声波被反射回来的力量也不同,而且所采取的换能器的不同,其灵敏度和时间差的计算也会对测量结果产生不可避免的影响。

5 超声波测距的改进方法

超声波测距系统的组成比较复杂,是由单片机,超声波发射电路,超声波接收电路,触摸按键控制电路,和温度补偿电路,显示电路组成的,缺一不可,其中单片机是系统核心。在测量过程中,空气会对结果产生影响,因此要加强对外部空气的实时检测,校准超声波的传播速度。在超声波的接收模块里,要增加时间增益补偿电路和峰值时间检测电路,信号通过处理,可正确检测时间,提高测量的精确度。电容触摸按键作为控制按键,取代了机电开关,避免了控制按键由于环境的影响而导致检测的失效。

超声波测距系统可改进方面:

(1)环境的温度,要加强对环境温度的监测。

(2)要尽量选择高精度的仪器,避免误差。

(3)出现误差时,要考虑多方面的因素。

6 结束语

这次通过对超声波测距的原理及测量过程进行分析,发现其存在的问题,并提出来了解决方案,在其过程中,发现超声波测速具有广泛的前景,要加强对其的研究和谈讨。现将在这次论文中的理论总结如下:

超声波测速中存在的误差有多种原因,包括设计方案的原因,环境的问题等。因此,为了得到准确的测量数据,必须要结合实际情况,排除多余因素,减少误差。

参考文献

[1]杨秋菊.高精度超声波测距系统的研究与设计[D].成都:西南石油大学,2014(12).

[2]李天娇.关于超声波测距的研究[D].成都:成都理工大学,2015(06).

作者简介

郝春吉(1966-),男,吉林省吉林市人。北华大学副教授。主要研究方向为智能信息处理。

作者单位

北华大学 吉林省吉林市 132013

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