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。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；渡越時間；時間增益補償

中圖分類號：TN551文獻標識碼：A文章編號：1674-7712 (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( time of flight) 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。

由公式可看出，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。

（一）包絡(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。

（二）可變閾值檢測法

可變閾值檢測的基礎(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確快速高效的判斷出不同距離上目標的反射信號，從而可以提高測距的準確性和快速性。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。回波起伏減小則時間誤差減小，測量精度就提高了。

由下圖可見， 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)。

圖1

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。

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[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，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院11級電氣三班，學(xué)生學(xué)號20111540。