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超聲波測距誤差分析及修正方法

作者:admin 發(fā)布時(shí)間:2015/11/26 13:39:38 瀏覽次數(shù):2301

在介紹超聲波測距原理的基礎(chǔ)上,分析了超聲波傳播速度與環(huán)境溫度的關(guān)系,重點(diǎn)簡述了影響渡越時(shí)間測定的因素,以及回波竄繞問題,進(jìn)而提出了提高測量精度的方法。這對減小超聲波測距誤差有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
0引言
超聲波測距是一種利用超聲波的可定向發(fā)射,方向性好,在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)等特性,結(jié)合電子計(jì)數(shù)等微電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的非接觸式檢測方式。在使用中不受光線、電磁波、被測物的顏色等因素影響,加之信息處理簡單、成本低、速度快。在避障、車輛定位與導(dǎo)航、液位測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于超聲波存在回波竄繞現(xiàn)象,溫度對超聲波在空氣中傳播速度有較大影響,并且傳播過程中存在衰減等,這些干擾因素導(dǎo)致測量中存在一定的誤差,因此提高系統(tǒng)測距精度顯然是目前需要解決的問題。
1超聲波測距原理
用于距離測量的超聲波,通常是由壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生,這種壓電陶瓷傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板,當(dāng)給它的兩極加頻率等于晶片固有頻率的脈沖信號(hào)時(shí),壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振,并帶動(dòng)共振板振動(dòng),從而產(chǎn)生超聲波。超聲波為直線傳播,頻率越高,反射能力越強(qiáng),利用超聲波的這種特性,常常用渡越時(shí)間檢測法進(jìn)行距離的測量。其工作原理是超聲波發(fā)射器向介質(zhì)發(fā)射超聲波,聲波遇到目標(biāo)后必然有反射回波作用在接收換能器上,測量從發(fā)射地至目標(biāo)地傳輸所經(jīng)過的時(shí)間,即當(dāng)換能器發(fā)射出超聲波開始計(jì)時(shí),到超聲波經(jīng)空氣傳播至目標(biāo),再反射回傳播至超聲波接收器停止計(jì)時(shí),測得傳播時(shí)間為t,由下式可以求出聲波發(fā)射地與目標(biāo)之間的距離l,l=c#t/2,式中c為超聲波在空氣中的傳播速度(m/s),t為超聲波來回傳播的時(shí)間,考慮到超聲波在空氣中傳播時(shí)有相當(dāng)?shù)乃p,衰減程度與頻率高低成正比,而頻率高則分辨率也高,在綜合考慮的基礎(chǔ)上,實(shí)際測量中,一般選用40khz的超聲波。
2超聲波測距系統(tǒng)組成
超聲測距系統(tǒng)由單片機(jī)控制器、超聲波發(fā)射電路、超聲波傳感器、帶通濾波電路、自動(dòng)增益控制電路、峰值檢波器、比較整形電路、lcd顯示器、溫度補(bǔ)償電路等構(gòu)成。
結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,協(xié)調(diào)各部分電路的工作。單片機(jī)產(chǎn)生的40khz的脈沖信號(hào),經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)射同頻率的超聲波。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖發(fā)射后,單片機(jī)啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。超聲波被反射后再經(jīng)接收端的超聲換能器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)濾波放大后送給檢波器,經(jīng)整形后送單片機(jī),單片機(jī)一檢測到回波信號(hào),計(jì)數(shù)器便停止計(jì)數(shù),然后單片機(jī)再根據(jù)計(jì)數(shù)值和環(huán)境溫度采集電路采集的現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù),計(jì)算出距離,并由顯示電路顯示出來。
3超聲波測距過程中誤差的分析及修正方法
3.1超聲波傳播速度對測距的影響
穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件。波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性,傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生直接的影響。對于測距而言,引起聲速變化的主要原因是媒質(zhì)溫度的變化,溫度變化是造成超聲波測距誤差的主要來源之一。因此在測距過程中,必須對超聲波速度進(jìn)行修正,超聲波在空氣中傳播速度與溫度的關(guān)系可表示為c=331.4×
1+t/273u33114+01607t(m/s),t為環(huán)境攝氏溫度。因此用常溫下的超聲波速度341m/s來計(jì)算不同溫度環(huán)境下的超聲測距的距離是有很大的誤差。為了提高測距精度,必須對超聲波的速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償,用溫度傳感等測溫器件測得環(huán)境溫度的數(shù)值,從而得到該環(huán)境下的超聲波速度。也可采用聲速預(yù)置和溫度補(bǔ)償相結(jié)合的方法對聲速進(jìn)行修正,將更有效地降低因溫度變化而產(chǎn)生的誤差。
3.2影響回波時(shí)間t測定的因素及減小誤差的方法
在測量過程中,為了防止其他信號(hào)的干擾,提高測量的可靠性,單片機(jī)開始計(jì)數(shù)時(shí),超聲傳感器常常發(fā)射由多個(gè)方波組成的脈沖串(如5~9個(gè)脈沖為一串)作為測量的載體。若接收電路中的比較器的閾值電壓為一定值,由于粉塵及其它物質(zhì)的影響,故實(shí)際測量時(shí),不一定是第一個(gè)回波的過零觸發(fā)。通過對超聲波接收回波的觀察分析,發(fā)現(xiàn)接收回波經(jīng)包絡(luò)檢波后,其包絡(luò)線前沿為按指數(shù)規(guī)律上升的曲線,大約在第九個(gè)波到包絡(luò)線的峰頂,第三個(gè)波近似為峰頂?shù)?5%。故接收電路常設(shè)計(jì)為接收到第3個(gè)回波時(shí),單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。所以最終測得的時(shí)間比實(shí)際距離所對應(yīng)的時(shí)間多出3脈沖發(fā)送時(shí)間,從而造成了回波時(shí)間t的測量誤差。
為了提高測時(shí)精度,必須準(zhǔn)確地檢測到第一回波脈沖沿到達(dá)的時(shí)間。用固定閾值的單比較器檢測回波,由于聲波在傳輸過程中存在吸收衰減和擴(kuò)散損失,聲強(qiáng)隨目標(biāo)距離增大,而呈指數(shù)規(guī)律衰減,在量程范圍內(nèi),最近目標(biāo)和最遠(yuǎn)目標(biāo)的回波幅度相差較大,可能導(dǎo)致越過門檻的時(shí)刻前后移動(dòng),從而影響計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。
解決這一問題的方法:方法一是采用雙比器整形電路,這能較準(zhǔn)確地對回波前沿到來的時(shí)刻進(jìn)行測定。如圖2所示,vm為峰值電壓,設(shè)v1為比較器1的門限電壓,v2為比較器2的門限電壓,(其中(v2>v1,其值由實(shí)驗(yàn)設(shè)定),當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波時(shí),單片機(jī)定時(shí)器t1和t0同時(shí)開始計(jì)時(shí),當(dāng)比較器1翻轉(zhuǎn)時(shí),t0停止計(jì)時(shí),此時(shí)t0所計(jì)的時(shí)間為t1,當(dāng)較器2翻轉(zhuǎn)時(shí),t1停止計(jì)時(shí),此時(shí)t1所計(jì)時(shí)間為t2,顯然t2>t1,t是回波前沿所對應(yīng)的傳播時(shí)間,則
,用t計(jì)算距離比t1、t2精確度要高。
方法二是在回波接收電路中串入隨時(shí)間變化的自動(dòng)增益控制電路(agc),使放大回路在接收時(shí)間內(nèi),電壓放大倍數(shù)隨測量距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加,以補(bǔ)償吸收衰減和擴(kuò)散損失,使接收回波的幅值保持恒定或者僅在較小范圍內(nèi)變化以滿足整形電路的要求,再經(jīng)過整形電路輸出,這可大幅度提高測距的精度。當(dāng)然因agc電路(包括放大器本身),對信號(hào)的階躍響應(yīng)有滯后現(xiàn)象,瞬時(shí)跟蹤性不一定很好,而回波信號(hào)恰恰是爆發(fā)性的,因而也存在一定的誤差,但這可忽略不計(jì)。
方法三是設(shè)計(jì)一個(gè)在測量時(shí)間內(nèi),隨時(shí)間增加閾值電壓逐漸減小的電路,產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)增加而按指數(shù)規(guī)律減小的閾值信號(hào)加到比較器上,這將補(bǔ)償因測量距離增加而造成回波幅度的減小,以提高測量的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。采用可編程放大器和數(shù)字電位器等器件,通過軟、硬件結(jié)合,可設(shè)計(jì)出多種這樣的電路。也可由運(yùn)算放大器和場效應(yīng)管結(jié)合構(gòu)成受控放大器,場效應(yīng)管作為壓控電阻,構(gòu)成反饋調(diào)節(jié)回路。但這種電路的跟隨性不如上述數(shù)字電路。
3.3超聲波波束對探測目標(biāo)的入射角對測距的影響
如果系統(tǒng)是用來測量面與點(diǎn)的距離,當(dāng)超聲波的入射角(或反射波入射到接收換能器的角度)不足90b時(shí),系統(tǒng)測量到的距離是被測點(diǎn)(物)與換能器之間的距離s。而不是測量平面與被測物之間垂直距離d,這就會(huì)造成測量誤差。解決該問題的方法是利用三角形的有關(guān)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算修正。
3.4盲區(qū)
在測距時(shí),傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波來作為測量的載體,因此只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收,設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為t,則在t時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號(hào)就無法捕捉。另外超聲波傳感器有一定的慣性,即有一個(gè)從受迫振動(dòng)到平衡振動(dòng)再到阻尼振動(dòng)的過程,故發(fā)送結(jié)束后還有一定的余振,這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號(hào),這種電壓信號(hào)疊加到回波信號(hào)上,使電路鑒別不出真正的回波,從而擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)工作。因此在余振未消失以前,還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收。以上兩個(gè)原因造成了超聲波傳感器具有一定的測量范圍,即存在所謂的盲區(qū)。
此外,引起測量誤差的還有很多,如指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間,而使得測量的數(shù)據(jù)偏大,時(shí)基脈沖頻率的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性,現(xiàn)場環(huán)境中其它物質(zhì)干擾等。
4結(jié)束語
文章在介紹超聲波測距原理的基礎(chǔ)上,分析了測距過程中誤差的產(chǎn)生及減小誤差的方法。溫度補(bǔ)償,渡越時(shí)間的精確測定是提高超聲波測距精度的主要措施。文中重點(diǎn)講述了渡越時(shí)間的精確測定的方法:(1)采用雙比較器;(2)用固定閾值的單比較器加自動(dòng)增益控制電路,使放大器的增益隨測量距離的增加而增大;(3)用單比較器加閾值電壓控制電路,使閾值電壓隨測量距離的增大而減小。以補(bǔ)償因傳播距離的增加而引起回波信號(hào)強(qiáng)度減弱。實(shí)踐證明,采用這些方法將大大減小測量誤差,提高測量的準(zhǔn)確度。
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