一種改進(jìn)的超聲波測(cè)距方法研究

田文成，周西峰，郭前崗

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

一種改進(jìn)的超聲波測(cè)距方法研究

田文成，周西峰，郭前崗

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

針對(duì)第一個(gè)超聲回波前沿難以捕捉，提出了增益可編程的回波信號(hào)檢測(cè)方法，進(jìn)行多次增益校正，使得比較器能捕捉到首個(gè)回波前沿。針對(duì)測(cè)量超聲波波速的補(bǔ)償方法單一，提出了標(biāo)準(zhǔn)擋板，分別測(cè)量固定距離的傳播時(shí)間和待測(cè)距離的傳播時(shí)間，通過兩者之比得出待測(cè)距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的改進(jìn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)惡劣環(huán)境下的高精度測(cè)距。

標(biāo)準(zhǔn)擋板；增益可編程；超聲波測(cè)距

0 引言

隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。超聲波因其定向發(fā)射、指向性好、抗干擾能力較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝和維護(hù)方便、成本較低、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，再結(jié)合微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的距離測(cè)量系統(tǒng)，具有處理簡(jiǎn)單、速度快等優(yōu)勢(shì)[3]。

本文提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)擋板的增益可變超聲回波信號(hào)前沿檢測(cè)方法，使超聲波在空氣中的傳播速度精確計(jì)算，并且使比較器捕捉到第一個(gè)超聲回波信號(hào)前沿來(lái)提高行程時(shí)間精度，從而提高測(cè)距精度。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波是頻率在20 kHz以上的聲波，屬于機(jī)械波[4-5]。超聲波測(cè)距方法中，渡越時(shí)間檢測(cè)法精度較高，電路實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，故本文采用此方法[6]。

超聲波換能器發(fā)射面浸入介質(zhì)1，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器向介質(zhì)1發(fā)射超聲波并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)遇到與介質(zhì)1物理特性差異明顯的另一種介質(zhì)(介質(zhì)2)時(shí)，將產(chǎn)生較強(qiáng)的回波，該回波傳到換能器，驅(qū)動(dòng)其產(chǎn)生諧振并產(chǎn)生電信號(hào)，通過放大、濾波、比較后被測(cè)距電路捕獲，停止計(jì)時(shí)。計(jì)算超聲波往返所用時(shí)間t，測(cè)量待測(cè)點(diǎn)的聲速v，即待測(cè)距離L[7]。

圖1 超聲波測(cè)距原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要包括主控模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、液晶顯示模塊、電源供電模塊、標(biāo)準(zhǔn)擋板，總體方案如圖2所示。

圖2 超聲波測(cè)距總體方案圖

2.1 超聲波發(fā)射模塊

超聲波液位測(cè)量使用收發(fā)一體式超聲波換能器，選用43 mm的小束角超聲波傳感器，中心頻率為40 kHz，波束角約為10°，測(cè)量范圍為20～10 000 mm。其發(fā)射電路如圖3所示。單片機(jī)P1.1引腳通過軟件編程產(chǎn)生每周期8個(gè)激勵(lì)脈沖信號(hào)，控制三極管Q1的通斷，由電源直接驅(qū)動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈。在變壓器副邊線圈上，并聯(lián)兩個(gè)反向二極管D1和D2，防止超聲回波信號(hào)經(jīng)線圈與地形成回路，超聲回波信號(hào)幅值為mV級(jí)，二極管導(dǎo)通電壓為0.7 V，因此回波信號(hào)只能進(jìn)入接收模塊。

圖5 超聲波濾波放大電路

圖3 超聲波發(fā)射電路

2.2 超聲波接收模塊

2.2.1 預(yù)處理電路

預(yù)處理電路對(duì)回波信號(hào)的放大電路如圖4所示。電容C3和C4對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波處理；二極管D3和D4將發(fā)射信號(hào)點(diǎn)位鉗制在0.7 V，mV級(jí)的回波信號(hào)不受影響進(jìn)入后續(xù)電路；電阻R6用于調(diào)偏流，防止飽和失真；三極管Q2對(duì)信號(hào)功率放大后進(jìn)入濾波放大電路。

圖4 超聲波預(yù)處理電路

2.2.2 濾波放大電路

濾波放大電路如圖5所示。放大電路采用二級(jí)放大器，其中，第一級(jí)放大電路必須有足夠大的輸入阻抗，因此采用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器LM224；R9用于調(diào)節(jié)直流偏置電壓；R12并聯(lián)的可變電阻R10用于調(diào)試。第二級(jí)放大電路采用可編程增益放大器PGA112，可變?cè)鲆鏋?、2、4、8、16、32、64、128，該芯片與單片機(jī)接口只需要連接片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，通信方式為SPI總線方式。

回波信號(hào)含大量噪聲信號(hào)，一部分是超聲波換能器接收到空氣中的雜波信號(hào)，主要是空氣中低頻噪聲；一部分是電路的高頻噪聲，如電源、晶體管、運(yùn)放等，因此設(shè)計(jì)帶通濾波器。

2.2.3 電壓比較電路

濾波放大電路輸出信號(hào)通過第一級(jí)LMV385進(jìn)行電壓跟隨，由第二級(jí)LMV385進(jìn)行電壓比較，當(dāng)輸入電位高于設(shè)定電位值時(shí)，輸出低電平，該電平作為單片機(jī)外部觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生中斷，結(jié)束計(jì)時(shí)。電壓比較電路如圖6所示。

圖6 超聲波電壓比較電路

3 誤差分析

根據(jù)超聲波測(cè)距公式可知，主要誤差來(lái)自兩個(gè)方面：聲速測(cè)量誤差、超聲波信號(hào)傳播時(shí)間誤差。基于此，從以下兩個(gè)方面對(duì)誤差進(jìn)行研究分析，并提出改進(jìn)方法。

3.1 聲速測(cè)量誤差

[8]提出了溫度、濕度雙補(bǔ)償方法，筆者認(rèn)為實(shí)際空氣并不是完全干燥的，對(duì)空氣平均摩爾質(zhì)量和比熱比值進(jìn)行修正，上述方法雖然考慮了溫度和濕度對(duì)聲速的影響，但實(shí)際環(huán)境條件下，聲速還受風(fēng)速、壓強(qiáng)等因素影響，因此測(cè)量結(jié)果仍存在誤差。基于環(huán)境的不確定性，本文提出利用擋板實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前聲速，將影響因素都考慮在內(nèi)，從而提高測(cè)量精度，且適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。其擋板安裝如圖7所示。

圖7 擋板安裝圖

原理是預(yù)先設(shè)定擋板到超聲波換能器的固定距離，如設(shè)定1 m，則換能器1、2同時(shí)發(fā)射超聲波，換能器1發(fā)射的超聲波遇擋板反射，換能器2發(fā)射的超聲波遇水面反射，分別對(duì)擋板發(fā)射時(shí)間和水面反射時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，兩個(gè)時(shí)間比值即換能器到達(dá)水面的距離。

3.2 超聲信號(hào)傳播時(shí)間誤差

由于超聲波換能器的機(jī)械慣性，其發(fā)射聲波起振逐步由小到大，首波信號(hào)的幅值很小，且隨距離變化而變化；另在反射面反射過程中，信號(hào)會(huì)損失一部分，因此用常規(guī)方法很難捕捉到回波前沿。本文提出通過多次增益變化判斷第一回波前沿返回時(shí)間，思路如下：

(1)對(duì)信號(hào)設(shè)置1倍增益，檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間t1；對(duì)信號(hào)設(shè)置2倍增益，檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間t2。以此類推，每次增益為前一次的2倍，分別檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間t3、t4、t5、t6、t7、t8；

(2)求相鄰增益之間時(shí)間差值，即t12=t1-t2，…，t78=t7-t8；

(3)判斷差值與換能器諧振周期的大小關(guān)系，從而確定第一回波前沿位置，即從t12開始若有2個(gè)連續(xù)差值小于諧振頻率的一半，則這3個(gè)相鄰傳播時(shí)間都是檢測(cè)到1個(gè)周期內(nèi)，因此可以判斷檢測(cè)到第一回波前沿。判斷依據(jù)是根據(jù)回波波形，除第一回波周期最大幅值遠(yuǎn)大于噪聲幅值外，后續(xù)回波周期最大幅值不會(huì)遠(yuǎn)大于前一個(gè)周期。此依據(jù)是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，理論研究尚未成熟。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度為25℃，超聲波換能器頻率為40 kHz，在2 000 mm范圍內(nèi)，水位檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)液位變化值作對(duì)比。

由于測(cè)量誤差具有隨機(jī)性，在程序設(shè)計(jì)時(shí)可讓系統(tǒng)進(jìn)行3次測(cè)量，并對(duì)3次測(cè)量結(jié)果求平均值來(lái)減小系統(tǒng)隨機(jī)誤差。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，超聲波液位測(cè)距結(jié)果個(gè)別數(shù)據(jù)超出了4 mm檢測(cè)精度，但通過3次采集求平均值可以減小測(cè)量誤差。最終，檢測(cè)均值與標(biāo)準(zhǔn)液位值之間的差均小于4 mm，實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)距，滿足了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的測(cè)量需求。

5 結(jié)論

在全面分析超聲波測(cè)距引起誤差原因的基礎(chǔ)上，提出了通過增加標(biāo)準(zhǔn)擋板提高超聲波信號(hào)速度的測(cè)量精度，通過多次增益校正確定第一超聲回波前沿，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路和軟件程序，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該系統(tǒng)測(cè)距精度的改進(jìn)。

表1 超聲波液位檢測(cè)數(shù)據(jù)表

在測(cè)量超聲波傳輸時(shí)間過程中，超聲波換能器的諧振頻率、比較器的閾值、可編程增益放大器的增益級(jí)數(shù)以及每級(jí)之間的倍數(shù)是測(cè)量分辨率的3個(gè)重要因素。所述研究方法還有待于改進(jìn)，例如標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距的校正，即如何應(yīng)對(duì)測(cè)量超聲波換能器與擋板之間的距離不等于實(shí)際距離1 m的情況。

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An improved method study on the ultrasonic distance measurement

Tian Wencheng, Zhou Xifeng, Guo Qian′gang

(College of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

Because it is difficult for ultrasonic distance measurement system to capture the first echo signal frontier, this paper proposed the variable gain detection method. Namely, by utilizing the several gain calibrations, the first echo signal frontier is captured by the comparator. Because it is single for ultrasonic distance measurement system of compensation, this paper designed standard baffle, measured the propagation time of fixed distance and the time of measured distance and the distance can be calculated by a two time ratio. The experimental results show that the proposed improved method can realize precision ranging in harsh environment.

standard baffle ; variable gain ; ultrasonic distance measurement

TP216

A

1674-7720(2016)02-0070-03

田文成，周西峰，郭前崗. 一種改進(jìn)的超聲波測(cè)距方法研究[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(2)：70-72.

2015-09-28)

田文成(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)控制技術(shù)。

周西峰(1960-)，男，學(xué)士，教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)控制技術(shù)、智能與網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。

郭前崗(1960-)，男，博士，教授，主要研究方向：自動(dòng)控制系統(tǒng)及先進(jìn)功率變換系統(tǒng)理論與技術(shù)。