文献翻译-数字技术在超声波传感器中的应用

中英文翻译 英语原文 . t is a of to a to in as so of to in of to In is as of is of of an is by a is by be So to be by (1) v is of in is a is by an is by a By is to a as of is to to to in of As a is in an on 1), we v f of of v t on on of to so of is oF to oF to oF to do of it is to oF In of of is a of is . s in as is it a at it in to of oF to In be by of of oF To it is to up a of (2) s, s m n of of m 0 u 0 is an At a of be to be as E(t) = Ar(lu + r (3) r of is To oF we of be by （ 4） T F k n, a of t) , a of , ( f t X , we do is is to a s f ( s f , S/N is is , be of is to of at s f of x(t) , is we 3. is to oF be to of oF in is A is oF is to be is by or it to be is a of oF on of in to of of is is (5) ( is oF is (6) of f T be in (7) h is 5 . 0 / ( + T is a in 5 . 0 , 5 . 0 ? , a be to . It to a (8) 1) be (9) 4. n to a be of an a f = 8an 550an in s m v / 1390 = , to 1), be on of oF he of ,of is a oF is a be as a of 5), be (10) to a to 43 . 0 . oF is a of ), be to 6), by to a As a in be as (11 ) of oF n of is a oF We is a of NR to it is to to of 5. he of to be A up of to is a is to in of in of he to of 1 M. C. 4) (1991) 759. 2 D. C. C. D. A. E of (1) (1992) 93. 3 M. G. 6) (1990) 1024. 4 G. P. of in 4) (1993) 834. 5 P. G. A. of 1) (1996) 30. 6 L. A 1) (1989) 941. 8K 4K 1,000 0 Hz 4 128 x 8 32 6 is a K is s is to be or by a By a PU on a is a a to 中文译文 数字技术在超声波传感器中的应用 1、 概述 在完成测距的任务中有很多的方法可以应用，而运用超声波传感器便可以高效又巧妙的解决工程领域的此类问题，比如医学成像、航空（航海）遥控设备、流速测量、液位测量等等。虽然不同的测量系统和传感器有各自独特的应用，但是它们都是与超声波回波的探测相关的问题，即超声波的稀薄化和扩散、噪声和干扰的存在、对温度和湿度的敏感性以及稳定性。 在众多的应用中， 超声波发射和接受之间的时间差是测量的基础，也就是说，应用的基本工作原理是测量出时差，超声波发射传感器发射一个超声波脉冲，脉冲通过传播媒介（空气、液体等）到达适当的反射体而反射回来。回波脉冲又被接收传感器接收到，发射传感器和接收传感器可能是收发一体的。这样，超声波发射与反射之间的距离就可以有以下公式间接的计算出来： （ 1） 这里 另一个测量原理是依据周期改变的方法。具体是，超声波发射器发出一列连续不断的波，这个波遇到障碍物就反射回来，反射波被另一个接收器检测到。通过计算连续波在发射与接收之间的周相移动就可以测出距离。 回波法和连续脉冲技术被广泛认为是两种测量原理的体现。连续脉冲技术的精度更高一些，但是由于测量相位用到的复杂硬件和计算整数个波长的复杂性，这种方法就更昂贵一些。鉴于此，回波法在工业生产的商业系统中的应用更多一些。因此，本文重点介绍回波技术的应用。 从公式（ 1）中我们可以看出与 f 相关的因素是引起测距不稳定的主要原因。 且与传播媒介的许多化学、自然参量相关。由于这些相关因素的存在，需要其他的一些技术来补偿这些影响以使得测量准确，因此，整个测量系统的核心是时间差的确定。许多方法被用来提高时间差的测量精度。有些方法使用昂贵的硬件可以提高测量的精度，但是复杂而且不灵活；而有些方法使用传统的数字技术，即利用数字信号处理软件完成测距的目的。从工程应用的角度来看，利用数字技术提高时间差的精度既是可能的也是可行的。 本文中，首先提出了数字技术的理论，包括一些数学公式。接着描述了这些数字技术在超声波测 距中的应用。最后，通过分析系统误差和随机误差给出了对这种方法的客观评价。 就回波法来说，在大多数工程应用中，是采用收发一体的传感器。就是说它提供了一种低成本的方法。与此同时，由于它在时差计算中的错误使得测量精度下降。如何在不使用额外硬件的情况下能提高它的精度呢？事实上，这个问题可以通过使用低成本的信号处理软件。因此，这个问题的核心当然也是时差的计算。 为了解决这个问题，建立超声波发射脉冲合适的数学模型是必要的。如下图所示： （ 2） 脉冲振幅、频率和相位 ， m 和 n 是超声波传感器的固有参数。对于实际的传感器，必须满足 m 0 和 u 0。 同时，超声波接收脉冲也需要建立合适的数学模型，具体如下： （ 3） 这里 为了测出时差，我们必须考虑整个超声波信号的模型，包括发射脉冲和接收脉冲。具体如下等式所示： （ 4） 这里 T0和 F0分别是时间和频率的取样周期， k, 在我们作出超声波发射接收关于时间的单独曲线 X(t)基础上，作出他们关于时间和频率的二维函数 X(t， f)，接下来我们要做的是把他们结合起来。第一步是选择合适的频率 当使用频率 S/，这个频率经常是传感器的共振频率。第二步是找出超声波发射接收信号 X(t)在频率 就是我们需要的包络。 3 相关法和 价 在复原了从扭曲和不稳定性的嘈杂环境中获得信号以后，下一步工作便是完成 大多数超声传感器中应用的传统方法是极限法。具体做法是，确定一条极限表尊线，当信号或包络第一次通过的极限点便作为 尽管这种方法简 单而且成本低，但是他可能回引起许多测量误差，尤其是当超声回波脉冲很微弱时。 相关法是一种复杂的高精度测量方法，他是基于研究发射信号与回波之间的互相关函数来评价 。通过指标的相关函数最大值，可以获得发射信号与回波信号之间所经过的时间。相关性效应可以定义为： （ 5） 当 )(最大值时， （ 6） 考虑到使用抽样数据的原因，事实上， 可以用通常形式表示： （ 7） 这里 是时间间隔 使用运算法则可以精确得到常数 。通过叉补法有可能得到带小数的 值，确定 的第二中近似方法是： （ 8） 因此，公式（ 1）可以写为 （ 9） 为了验证 上述方法，可以使用一个实际仿真来反映实际超声波传感器的特性。假设一个取样频率为 f=8波传感器频率为 50介中传播速度为 v=1390m/公式（ 1）可以得出其测距结果为 差分析可以通过计算机仿真实现。 在信号处理过程中 A/就是说，系统的时间误差是时差误差的根源。这是一个系统误差，可以看作是时间值的函数。 由公式 ，理想的数据误差可以写成： （ 10） 由此得出距离误差最大量为 ）的倍数时，误差为零。 由公式 得出，计算机仿真获得的结果的确使得插补法得到的时间误差值是最小的。由此，测距的系统误差可以写成如下形式： （ 11） 在实际应用中，噪声的存在是造成时差测量不准确的因素。我们可以肯定噪声是白色噪声，从能量角度来考虑，低信噪比会引起高噪声强度。相关性方法，它对噪声不那么敏感，因为随机因素本身。 综上所述，高精度的数字技术在超声波传 感器中的应用是必要的。一个好的测量方案的确立需要包含上述被验证的技术。至于封套的取出， 新获得优化的封套，由于相关性方法在回波检测中系统误差和随机误差都较小，所以它比极限法更好一些。 据手册 性能 位单片机，片内含 4K 128 随机存取数据存储器（ 器件采用 司的高密度、非易失性存储技