“非接觸性”超聲波測距模塊在高中物理測距實(shí)驗(yàn)中的分析

摘 要：超聲波技術(shù)是基于物理、電子機(jī)械及材料科學(xué)的前沿技術(shù)，特別是近幾年來科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)、汽車等行業(yè)。在高中物理實(shí)驗(yàn)測距中使用超聲波，一方面可以幫助我們掌握物理知識，另一方面也能對超聲波的特性加以理解，方便了數(shù)據(jù)的記錄和采集，避免了人為操作中產(chǎn)生的誤差和錯誤，增加了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：超聲波；測距；誤差

0 引言

人類耳朵能接收到聲波的頻率為20～2000Hz，超過人耳接受范圍的聲波就是超聲波，在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波的頻率一般在16000Hz左右，超聲波因具有頻率高、沿直線傳播、傳播衰減少、傳播距離遠(yuǎn)、反射性等特征，所以可以用其來測距。

1 超聲波測距的實(shí)驗(yàn)方案

在高中物理超聲波測距的實(shí)驗(yàn)中，教材提供了兩種測距方案：一是把超聲波發(fā)生器和超聲波接收器分別置于測距的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并記錄下超聲波從起點(diǎn)傳播到終點(diǎn)所用的時間，并用時間乘以聲速即得到起點(diǎn)和終點(diǎn)間的距離；二是利用超聲波的反射來測距，把超聲波發(fā)生器和超聲波接收器都置于測距的起點(diǎn)，然后記錄下超聲波從起點(diǎn)傳播并經(jīng)過終點(diǎn)反射回接收器所用的時間，起點(diǎn)和終點(diǎn)間的距離即為時間乘以聲速的一半。第一個方案測量準(zhǔn)確性比較高，但是實(shí)驗(yàn)操作起來比較復(fù)雜，而且實(shí)用性不高，第二個方案操作簡單，實(shí)驗(yàn)完成速度快，但由于是測量了兩次距離，所以誤差比較大。在實(shí)際的操作中，筆者更傾向于第二種“非接觸性”方案，誤差的減少可以通過多次測量，通過篩選數(shù)據(jù)取平均值來實(shí)現(xiàn)。

2 “非接觸性”超聲波測距模塊的分析

在“非接觸性”超聲波測距模塊中，應(yīng)用得比較多的有US系列和SR系列，本次研究主要分析了HC-SR、US-016和US-100這3類“非接觸性”超聲波測距模塊，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)分析匯報(bào)如下。

2.1 HC-SR超聲波測距模塊

HC-SR系列超聲波測距模塊，以HC-SR04為例，其工作電壓為3.3～5V，靜態(tài)電流<2mA，感應(yīng)角度<15°，探測距離為2～400cm，探測精度為1%，輸出方式為脈沖時長。HC-SR04的測量時間周期為超聲波從起點(diǎn)到終點(diǎn)時間的4倍以上，所以用于實(shí)驗(yàn)測量的周期不能低于60ms，避免發(fā)射的信號影響到回收的信號，實(shí)驗(yàn)測距工作效率不高。

2.2 US-016超聲波測距模塊

US-016超聲波測距模塊的工作電壓為DC5V，靜態(tài)電流為3.8mA，感應(yīng)角度<15°，探測距離為2～300cm，探測精度為0.3cm+1%，輸出方式為模擬電平。US-016超聲波測距模塊工作穩(wěn)定，而且可以根據(jù)不同的距離調(diào)設(shè)量程（最大測量距離分別為100cm和300cm）。模塊上電后，系統(tǒng)首先判斷Range引腳的輸入電平，根據(jù)輸入電平狀態(tài)來設(shè)置不同的量程。當(dāng)Range引腳為高電平時，量程為3m，當(dāng)Range管腳為低電平時，量程為1m。但是其在工作中把測量距離轉(zhuǎn)化為電壓，通過數(shù)據(jù)采集把測量距離修飾取值輸出，在面對測量距離突變的情況下，很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真的情況。

2.3 US-100超聲波測距模塊

US-100超聲波測距模塊的工作電壓為2.4-5.5V，靜態(tài)電流為2mA，感應(yīng)角度<15°，探測距離為2-450cm，探測精度為0.3cm+1%，輸出方式為電平或UART。US-100超聲波測距模塊工作穩(wěn)定，測量結(jié)果誤差較小，與HC-SR04最大的區(qū)別在于US-100測量數(shù)據(jù)通過9600波特率輸出，無論測量距離多少，其輸出耗時都是固定的1.6ms，而HC-SR04輸出耗時會因?yàn)闇y量距離的增加都增加。而且US-100超聲波測距模塊自帶溫度傳感器，可以對測量結(jié)果進(jìn)行矯正。因?yàn)槌暡ㄔ诓煌瑴囟认碌膫鞑ニ俣仁遣煌模ㄟ^溫度傳感器對測量結(jié)果進(jìn)行矯正，可以極大的縮小測量誤差。

3 超聲波測距中的誤差分析及對策

“非接觸性”超聲波測距模塊是通過S=vt/2來計(jì)算起點(diǎn)到終點(diǎn)間的距離（S為距離，v為聲速，t為時間），所以影響測量結(jié)果的變量就為v、t。下文主要就是分析如何減少測量中v、t的誤差。

3.1 溫度因素

聲波是擾動的機(jī)械波，在空氣中傳播的途中不斷轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而出現(xiàn)逐漸衰減的現(xiàn)象，聲波頻率越高，衰減得越厲害，傳播距離就越短。聲波傳播速度與溫度的關(guān)系詳見表1。所以，為了減少測量誤差，提高測量準(zhǔn)確度，計(jì)算時距離時必須根據(jù)溫度的情況對聲速進(jìn)行修正。

3.2 超聲發(fā)射和接收的時間誤差

超聲波測距模塊都設(shè)定有測量的距離，在設(shè)定距離范圍內(nèi)，超聲發(fā)射器和接收器才能達(dá)到最高靈敏度，而且如果測量目標(biāo)體積太大或者表面不平整，也會產(chǎn)生測量時間的誤差。“非接觸性”超聲波測距模塊的測量距離詳見表2。所以，在測量過程中要考慮到設(shè)備的量程和目標(biāo)的反射情況，最好是選擇體積和距離適中的物體來進(jìn)行測量。

參考文獻(xiàn)

[1]吳建惠.超聲波測距在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)物理：高中版，2016，34（10）：54-56.

[2]蘇煒，龔壁建，潘笑.超聲波測距誤差分析[J].傳感器與微系統(tǒng)，2004，23（6）：8-11.

（作者單位：內(nèi)蒙古包頭市第九中學(xué)高三7班）