《超声波测距原理分析》3500字

超声波测距原理分析综述1.1超声波概述我们通常研究的声波是属于物理学科范畴内的一部分，它主要对声波方面的一些知识进行研究，其内容包括声波的产生以及传播规律等方面的东西。声波这种东西主要的性质其实就是机械波,而声波在整个传播过程中依靠的唯一方法就是采用机械振动的方法完成传播。通常我们所说的声波的频率其实指的就是声音进行机械振动的频率，而且不同频率段的声波我们对它们的定义也不同。日常所见的声波主要分为四大类。有一种频率特别低的声波我们正常的听力是感觉不到的，就是我们通俗意义上所说的次声波，其振荡频率一般是在20赫兹以下的一个范围内；第二种声波正好可以被我们正常的听觉所感知，我们一般称为能听见的声音，即可闻声波，其震荡的频率通常是在20赫兹到20000赫兹的一个范围内；第三种声波也就是我们本设计所提到的超声波，其振荡频率通常是在两万赫兹到十亿赫兹；而当声波震荡的频率范围超过了超声波振荡频率的时候我们就称其为特超声波。声波的震动都是由机械振动进行传播，所以其实各种声波之间并没有本质性的区别，只是由于振动频率不同所以用途不同。当然许多医院的身体内部检查也用到了超声波技术等。除了医学领域外，超声波还被用在了日常的生活生产领域。总而言之，超声波的应用遍及了我们生活中的众多领域，给我们的生活带来了许多的便利REF_Ref23333\r\h[6]。生活中较为常见的一些声波的频率分布如图1.1所示。图1.1声波频率分布图1.2超声波基本特性(1)超声波具有特别优良的指向性能。只要我们选用的装置在发射超声波的时候方向是明确、不变化的，即方向是固定的那么它在传播的时候一定是沿着这个方向进行传播的。所以我们可以利用其传播特点令其沿着我们设定好的方向去探测障碍物。(2)超声波的穿透能力也强。通过各种实验数据的显示，超声波传播的时候基本不受固、液体的影响，但受空气的影响较大，其振荡频率在空气中会衰减。当碰到一些比较厚重的介质的时候，超声波可以直接将其穿透。当遇到分界面的时候，超声波原路返回。(3)超声波的抗干扰能力极强。超声波在传播过程中基本不会被各种恶劣环境影响。(4)超声波的传播需要介质。超声波和普通的声波一样，如果遇到真空坏境，超声波的传播就停止了。但超声波有一个优点就是虽然具有穿透性，但不会破坏物体的内部结构REF_Ref22696\r\h[7]。1.3超声波测距的方式生活中无处不在的超声波演变出来的测距技术已经逐渐成为了许多测距项目中所使用的主流技术。而超声波的测距技术又由于测距使用的原理不同分成了许许多多的种类。日常工作中最常见的超声波测距的方法有利用声波的相位进行检测距离，即我们常说的相位法；利用发射的声波和返回的声波之间的的互相关函数进行检测距离，即我们常说的互相关法；利用设定临界值的方法去判断物体的一个运动状态，即我们所说的固定阈值法；利用物体运动的时间以及相关的物理知识去计算物体运动的距离，即我们常说的渡越时间法。几种常见的方法相互比较之后的数据来看，我们提到的渡越时间法就有很大的优越性，这种测距方法的结构通俗易懂，其测量的精度及测量的距离都可以较大程度上满足我们的生产生活需求,所以较其他方法而言应用相对比较广泛。下面我们来介绍一下较为常用的几种测距方法。1.3.1相位检测法当我们的超声波测距装置安装就绪开始测距工作的时候，其超声波发射端能够按照特定的频率发射出一些正弦形式的声波。当发射出去的这些超声波在传播过程中路途不通畅的时候会产生回波反射现象，将反射回来的波与发射出去的波进行比较，通过测量手段得出几个正弦电压之间存在的相位差，并且通过相位差测量两个正弦波之间的距离，并根据此数据计算出我们需要的距离。常用的还有两种其他类型的相位检查办法:一种是用单超声波传感器进行观察检测，另一种是利用发射频率不同的超声波进行观察检测。但是这种方法的缺点就是容易产生一些不可避免的误差。1.3.2互相关法互相关方法就是找到两个参量之间的一些内在联系的方法。它的基本原理是利用发射的声波和返回的声波之间的的互相关函数。当互相关函数的函数值达到最大值的时候，利用此最大值相对应的时间减去经过的时间。从逻辑上来看，这种方法确实是可行的，但在一般的情况下，在整个超声波的传输过程中我们的超声波的波形会发生一些畸变，从而就会对我们的测量精度产生一些不好的影响。并且这种方法所需要的相关性的函数公式也不好求取，整个计算过程也相对比较复杂且容易出错。1.3.3固定阈值法这种方法是选择一个确定的阈值。当接收到的回波信号的振幅超过这个阈值的时候，我们就认为是发射出去的超声波已经返回来了。虽然这种方法操作起来比较简单，但是其存在的误差相对较大。由于超声波的回波的振幅信号没有固定的信号值，振幅信号随着声波传播距离的变化而进行持续性变化。在我们工作中需要测量的距离相对比较近的时候，超声波测距装置产生的回波到达第一个脉冲时比较装置就可以被激活进入工作状态；相反，工作中需要测量的距离相对较长的时候，超声波装置产生的回波对比较装置的激活可能就会出现问题，所以就会导致了一些误差的出现，这种方法的使用也就由于误差的不可避免而受到了一定的限制。1.3.4渡越时间法渡越时间检测方法计算距离所依据的最主要的数学公式是，其中所表示的是超声波在整个传播的过程中所经历过的距离，和所表示的是对应的超声波在某个对应的环境中进行传播的速度以及传播的时间。这种方法操作起来相对简单，效果准确有效，相对其他的方法来说也是比较实用的。由于测距工作中受到了多方面不确定因素的制约，其他的几种测距方法因为无法消除的弊端而得不到广泛的应用。这时，渡越时间法的优势就得以体现，结构通俗易懂，距离相对较大，精度也相对较高。各方面都满足我们的实验要求，所以我们采用渡越时间法的测距方式来完成我们的测距环节的设计。1.4超声波测距原理我们平时用的超声波测距的原理非常容易被使用者理解。首先由我们的发射设备向前方发出超声波，在发射出去超声波的同时，我们的计时设备进行计时工作。然后就让发射的超声波在介质中自由传播，在传播的过程中前方传播路途不通畅的时候，即碰到障碍物的时候，传播过程结束，超声波原路返回，并反馈给系统的信号接收设备。当信号反馈工作结束的时候计时设备也停止工作。超声波在一般的空气环境中的传播速度大概是每秒340米的样子，误差也不会很大。然后把整个的声波传播过程所消耗的时间t存储至系统内部，然后根据相应的物理公式求取整个传播过程所走过的距离。因为我们的计时设备包含了超声波往返过程的时间，但我们只需要单程所消耗的时间。所以最终求取出来的距离我们需要除以2。超声波的正常传播速度应该是每小时1224千米（差不多每秒340米），所以我们的汽车与障碍物之间的实际距离应该是。其具体的测距原理图如图1.2所示REF_Ref2456\r\h[8]。图1.2超声波测距原理图1.5传感器的性能指标测距环节最重要的就是实验器件的选型，也就是传感器的选型，传感器选型的时候最先考虑到的应当就是传感器的性能指标是否符合我们的设计要求，常见的一些指标有以下几种。(1)首先考虑传感器的工作频率，不同的工作频率下能量的输出值是不同的，在设计的时候要选择工作频率适当的传感器，频率过高或过低都会使实验数据产生误差。(2)还应当考虑到的就是我们传感器工作环境的实际温度，因为不同温度下某些传感器的工作性能是不同的，很可能会因为不同的温度给我们的实验数据带来偏差，所以选择传感器的时候要考虑其能够正常工作的温度范围。(3)传感器作为一种精密器件，我们最应该重视的就是其灵敏度。灵敏度高的传感器测量精度高，实验所产生的误差小。1.6超声波声波与温度的关系声波在整个传播的过程中的传播速度很可能会受多方面因素的影响，但是温度因素对其传播速度的影响最为明显。若是声波在传播的过程中其周围环境温差较大，那么其传播速度可能就截然不同。若是周围坏境的温度变化没有很明显，则对其传播速度的影响可以忽略不计。但是对于精确度特别高的测距系统来说，我们就需要通过温度补偿的环节来减小误差。各种不同温度下的声波的传播速度如表1.1所示。表1.1多种不同温度下的声速1.7传感器温度补偿方法冷端温度修正法：用热电偶对温度进行测量的时候，首先我们要知道某一端的温度。假如这一端点的温度能够永远保持在零度，那么另一端的温度我们便可以通过查表的方式得知。但是由于我们测量的环境不可能是理想环境，所以就不会有绝对的冷端零点，这样就导致我们的测量