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技術文章
超聲波測距誤差分析及修正方法
作者:admin 發布時間:2015/11/26 13:39:38 瀏覽次數:2715
0引言
超聲波測距是一種利用超聲波的可定向發射,方向性好,在介質中傳播距離較遠等特性,結合電子計數等微電子技術來實現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、車輛定位與導航、液位測量等領域得到了廣泛的應用。但由于超聲波存在回波竄繞現象,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,這些干擾因素導致測量中存在一定的誤差,因此提高系統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產生,這種壓電陶瓷傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板,當給它的兩極加頻率等于晶片固有頻率的脈沖信號時,壓電晶片就會發生共振,并帶動共振板振動,從而產生超聲波。超聲波為直線傳播,頻率越高,反射能力越強,利用超聲波的這種特性,常常用渡越時間檢測法進行距離的測量。其工作原理是超聲波發射器向介質發射超聲波,聲波遇到目標后必然有反射回波作用在接收換能器上,測量從發射地至目標地傳輸所經過的時間,即當換能器發射出超聲波開始計時,到超聲波經空氣傳播至目標,再反射回傳播至超聲波接收器停止計時,測得傳播時間為t,由下式可以求出聲波發射地與目標之間的距離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間,考慮到超聲波在空氣中傳播時有相當的衰減,衰減程度與頻率高低成正比,而頻率高則分辨率也高,在綜合考慮的基礎上,實際測量中,一般選用40khz的超聲波。
2超聲波測距系統組成
超聲測距系統由單片機控制器、超聲波發射電路、超聲波傳感器、帶通濾波電路、自動增益控制電路、峰值檢波器、比較整形電路、lcd顯示器、溫度補償電路等構成。
結構如圖1所示。單片機是整個系統的控制核心,協調各部分電路的工作。單片機產生的40khz的脈沖信號,經放大驅動發射傳感器發射同頻率的超聲波。當第一個脈沖發射后,單片機啟動內部計數器開始計數。超聲波被反射后再經接收端的超聲換能器轉換為電信號,經濾波放大后送給檢波器,經整形后送單片機,單片機一檢測到回波信號,計數器便停止計數,然后單片機再根據計數值和環境溫度采集電路采集的現場溫度數據,計算出距離,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
穩定準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的特性,傳播媒質的溫度、壓力、密度對聲速都將產生直接的影響。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行修正,超聲波在空氣中傳播速度與溫度的關系可表示為c=331.4×
1+t/273u33114+01607t(m/s),t為環境攝氏溫度。因此用常溫下的超聲波速度341m/s來計算不同溫度環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行溫度補償,用溫度傳感等測溫器件測得環境溫度的數值,從而得到該環境下的超聲波速度。也可采用聲速預置和溫度補償相結合的方法對聲速進行修正,將更有效地降低因溫度變化而產生的誤差。
3.2影響回波時間t測定的因素及減小誤差的方法
在測量過程中,為了防止其他信號的干擾,提高測量的可靠性,單片機開始計數時,超聲傳感器常常發射由多個方波組成的脈沖串(如5~9個脈沖為一串)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的影響,故實際測量時,不一定是第一個回波的過零觸發。通過對超聲波接收回波的觀察分析,發現接收回波經包絡檢波后,其包絡線前沿為按指數規律上升的曲線,大約在第九個波到包絡線的峰頂,第三個波近似為峰頂的75%。故接收電路常設計為接收到第3個回波時,單片機停止計數。所以最終測得的時間比實際距離所對應的時間多出3脈沖發送時間,從而造成了回波時間t的測量誤差。
為了提高測時精度,必須準確地檢測到第一回波脈沖沿到達的時間。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散損失,聲強隨目標距離增大,而呈指數規律衰減,在量程范圍內,最近目標和最遠目標的回波幅度相差較大,可能導致越過門檻的時刻前后移動,從而影響計時的準確性。
解決這一問題的方法:方法一是采用雙比器整形電路,這能較準確地對回波前沿到來的時刻進行測定。如圖2所示,vm為峰值電壓,設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,其值由實驗設定),當超聲波傳感器發射超聲波時,單片機定時器t1和t0同時開始計時,當比較器1翻轉時,t0停止計時,此時t0所計的時間為t1,當較器2翻轉時,t1停止計時,此時t1所計時間為t2,顯然t2>t1,t是回波前沿所對應的傳播時間,則
,用t計算距離比t1、t2精確度要高。
方法二是在回波接收電路中串入隨時間變化的自動增益控制電路(agc),使放大回路在接收時間內,電壓放大倍數隨測量距離的增大呈指數規律增加,以補償吸收衰減和擴散損失,使接收回波的幅值保持恒定或者僅在較小范圍內變化以滿足整形電路的要求,再經過整形電路輸出,這可大幅度提高測距的精度。當然因agc電路(包括放大器本身),對信號的階躍響應有滯后現象,瞬時跟蹤性不一定很好,而回波信號恰恰是爆發性的,因而也存在一定的誤差,但這可忽略不計。
方法三是設計一個在測量時間內,隨時間增加閾值電壓逐漸減小的電路,產生一個隨時增加而按指數規律減小的閾值信號加到比較器上,這將補償因測量距離增加而造成回波幅度的減小,以提高測量的準確度和重復性。采用可編程放大器和數字電位器等器件,通過軟、硬件結合,可設計出多種這樣的電路。也可由運算放大器和場效應管結合構成受控放大器,場效應管作為壓控電阻,構成反饋調節回路。但這種電路的跟隨性不如上述數字電路。
3.3超聲波波束對探測目標的入射角對測距的影響
如果系統是用來測量面與點的距離,當超聲波的入射角(或反射波入射到接收換能器的角度)不足90b時,系統測量到的距離是被測點(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,這就會造成測量誤差。解決該問題的方法是利用三角形的有關知識進行計算修正。
3.4盲區
在測距時,傳感器用一段時間發射一串超聲波來作為測量的載體,因此只有待發送結束后才能啟動接收,設發送波束的時間為t,則在t時間內從物體反射回的信號就無法捕捉。另外超聲波傳感器有一定的慣性,即有一個從受迫振動到平衡振動再到阻尼振動的過程,故發送結束后還有一定的余振,這種余振經換能器同樣產生電壓信號,這種電壓信號疊加到回波信號上,使電路鑒別不出真正的回波,從而擾亂了系統捕捉返回信號工作。因此在余振未消失以前,還不能啟動系統進行回波接收。以上兩個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。
此外,引起測量誤差的還有很多,如指令運行需占用一定的時間,而使得測量的數據偏大,時基脈沖頻率的穩定性與準確性,現場環境中其它物質干擾等。
4結束語
文章在介紹超聲波測距原理的基礎上,分析了測距過程中誤差的產生及減小誤差的方法。溫度補償,渡越時間的精確測定是提高超聲波測距精度的主要措施。文中重點講述了渡越時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。以補償因傳播距離的增加而引起回波信號強度減弱。實踐證明,采用這些方法將大大減小測量誤差,提高測量的準確度。
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