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1、超聲波測距技術(shù)原理及其精度提高方法 摘要：由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對測距的精度要求也越來越高。本文介紹了超聲波測距技術(shù)的原理，并且提出了通過時間增益補償來提高其精度的方法?！ ￡P(guān)鍵詞：超聲波測距；渡越時間；時間增益補償 中圖分類號：TN551文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-7712
2、(2014)08-0000-01 一、超聲波測距技術(shù)原理 超聲波測距的基本方法為TOF(timeofflight)渡越時間檢測法。它的基本原理是:超聲傳感器由強電脈沖信號激勵，向外發(fā)射超聲波，超聲波遇到被測物體后形成反射回波;超聲傳感器接收反射回波，根據(jù)發(fā)射與接收的時間差來計算被測物體的距離。計算公式為: 式中:D為被測物距離，c為超聲波傳播速度，t為渡越時間?！ ∮晒娇煽闯?，超聲波測距的關(guān)鍵是渡越時間的確定。確定渡越時間一般有幾種不同方法?！ 。ㄒ唬┌j(luò)峰值檢測法 包絡(luò)峰值檢測法是將接收到的超聲波回波信
3、號處理轉(zhuǎn)化為回波包絡(luò)曲線，通過對回波包絡(luò)地分析確定回波前沿到達的時間。在使用超聲波進行距離檢測時，對同一個被測物體，在不同距離上產(chǎn)生的回波包絡(luò)曲線較為相似，波形基本一致，波幅不同;對同一距離上的不同探測物體，回波包絡(luò)大致相同，波幅不同。因此，可以近似認為超聲回波包絡(luò)曲線的形狀基本不隨外在條件的變化而變化，即回波前沿到達的時間與回波峰值時間的時間差基本確定。所以，只要通過包絡(luò)峰值檢測確定回波峰值時間，減去固有時間差Δt=tp-t0，就能確定回波前沿到達的時間，也就得到精確渡越時間?！ 。ǘ┛勺冮撝禉z測法 可變閾值檢測
4、的基礎(chǔ)是信號過零檢測。超聲波測距通過信號過零檢測的方式可以使檢測過程快速簡便。信號過零檢測的原理是：控制系統(tǒng)發(fā)出指令開啟超聲波傳感器，使測距系統(tǒng)的超聲波產(chǎn)生模塊發(fā)出超聲波，并在發(fā)出開始指令的同時啟動計數(shù)器模塊，當(dāng)測距系統(tǒng)的超聲波接收模塊檢測到超聲波的反射信號時，通過運算放大器將反射信號進行放大，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將反射信號轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可以識別的電信號。控制系統(tǒng)將接收信號與系統(tǒng)設(shè)定的電壓閾值進行比較，如果接收信號大于閾值電壓，則認為該信號為有效信號，控制系統(tǒng)發(fā)出指令停止計數(shù)器計數(shù)，系統(tǒng)通過運算將計數(shù)值轉(zhuǎn)換為渡越時間，從而
5、計算出測距距離。因為反射信號的強弱和測距距離成反比例關(guān)系，測距距離越長，反射信號越小，計數(shù)值就越大，從而通過控制系統(tǒng)計算出的測距距離越大。因此，超聲波測距系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)將增益(閾值)與時間形成可變的函數(shù)方式，根據(jù)具體的測距模式將閾值-時間設(shè)定為閾值大小根據(jù)時間的增長呈指數(shù)狀態(tài)減小，增益-時間設(shè)定為增益大小根據(jù)時間的增長呈指數(shù)狀態(tài)增大。將控制方式設(shè)定成自動識別模式后可以更加準(zhǔn)確快速高效的判斷出不同距離上目標(biāo)的反射信號，從而可以提高測距的準(zhǔn)確性和快速性。但是可變閾值檢測只能用于信噪比搞的環(huán)境條件下，因為測距的距離太遠容易
6、產(chǎn)生干擾噪聲，而此時的干擾噪聲的大小與反射信號相比不能被忽略，所以此時用閾值檢測模式的測量準(zhǔn)確性有所下降。 二、時間增益補償法提高精度 時間增益補償?shù)幕痉椒ㄊ峭ㄟ^回波接收放大電路的增益與回波接收時間成正比，或放大倍數(shù)與回波時間成指數(shù)關(guān)系來減小回波起伏引起的誤差，使接收電路接收的回波信號幾乎保持不變。超聲波在傳播過程中，會產(chǎn)生衰減。超聲波的聲強會隨時間的增加而逐漸減小,所以可通過對衰減的回波進行增益補償來減小聲強的變化,從而避免隨距離增加導(dǎo)致回波幅度起伏?；夭ㄆ鸱鼫p小則時間誤差減小，測量精度就提高了?！ ∮上聢D可見
7、,經(jīng)過時間增益補償,不同距離的回波幅度都不再起伏。若補償精確，就可使回波幅度基本保持為常數(shù)?！ D1 三、結(jié)束語 超聲波測距技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛，技術(shù)精度和要求也必定不斷提高。本文介紹了超聲波測距技術(shù)的基本原理和通過時間增益補償法提高測距精度的原理，是超聲波測距技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著研究不斷深入，未來將會出現(xiàn)更多的新方法、新理論，使測距更加方便快捷，更加精確?！ ⒖嘉墨I： [1]李戈.國內(nèi)超聲波測距研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].測繪科學(xué),2011(04). [2]張珂,劉鋼海.提高超聲波測距精度方法的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)
8、,2007(15):139-141. [3]韓麗茹.提高超聲波測距精度方法綜述[J].電訊技術(shù),2010(09):132-135. [4]張海鷹.超聲波測距技術(shù)研究[J].儀表技術(shù),2011(09). [作者簡介]王偉穎，本科在讀，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院11級電氣三班，學(xué)生學(xué)號20110179；黃沁悅，本科在讀，西南交通大
