一種改進的超聲波測距方法研究

田文成，周西峰，郭前崗

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

一種改進的超聲波測距方法研究

田文成，周西峰，郭前崗

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

針對第一個超聲回波前沿難以捕捉，提出了增益可編程的回波信號檢測方法，進行多次增益校正，使得比較器能捕捉到首個回波前沿。針對測量超聲波波速的補償方法單一，提出了標準擋板，分別測量固定距離的傳播時間和待測距離的傳播時間，通過兩者之比得出待測距離。實驗結果表明，所提出的改進方法能夠實現惡劣環境下的高精度測距。

標準擋板；增益可編程；超聲波測距

0 引言

隨著傳感器和單片機控制技術的不斷發展，非接觸式檢測技術已廣泛應用在多個領域[1-2]。超聲波因其定向發射、指向性好、抗干擾能力較強、結構簡單、安裝和維護方便、成本較低、易于實現等特點，再結合微電子技術實現的距離測量系統，具有處理簡單、速度快等優勢[3]。

本文提出了一種基于標準擋板的增益可變超聲回波信號前沿檢測方法，使超聲波在空氣中的傳播速度精確計算，并且使比較器捕捉到第一個超聲回波信號前沿來提高行程時間精度，從而提高測距精度。

1 超聲波測距原理

超聲波是頻率在20 kHz以上的聲波，屬于機械波[4-5]。超聲波測距方法中，渡越時間檢測法精度較高，電路實現較簡單，故本文采用此方法[6]。

超聲波換能器發射面浸入介質1，驅動電路驅動超聲波換能器向介質1發射超聲波并開始計時，當遇到與介質1物理特性差異明顯的另一種介質(介質2)時，將產生較強的回波，該回波傳到換能器，驅動其產生諧振并產生電信號，通過放大、濾波、比較后被測距電路捕獲，停止計時。計算超聲波往返所用時間t，測量待測點的聲速v，即待測距離L[7]。

圖1 超聲波測距原理圖

2 系統設計

超聲波測距系統主要包括主控模塊、超聲波發射模塊、超聲波接收模塊、液晶顯示模塊、電源供電模塊、標準擋板，總體方案如圖2所示。

圖2 超聲波測距總體方案圖

2.1 超聲波發射模塊

超聲波液位測量使用收發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°，測量范圍為20～10 000 mm。其發射電路如圖3所示。單片機P1.1引腳通過軟件編程產生每周期8個激勵脈沖信號，控制三極管Q1的通斷，由電源直接驅動變壓器的初級線圈。在變壓器副邊線圈上，并聯兩個反向二極管D1和D2，防止超聲回波信號經線圈與地形成回路，超聲回波信號幅值為mV級，二極管導通電壓為0.7 V，因此回波信號只能進入接收模塊。

圖5 超聲波濾波放大電路

圖3 超聲波發射電路

2.2 超聲波接收模塊

2.2.1 預處理電路

預處理電路對回波信號的放大電路如圖4所示。電容C3和C4對信號進行簡單濾波處理；二極管D3和D4將發射信號點位鉗制在0.7 V，mV級的回波信號不受影響進入后續電路；電阻R6用于調偏流，防止飽和失真；三極管Q2對信號功率放大后進入濾波放大電路。

圖4 超聲波預處理電路

2.2.2 濾波放大電路

濾波放大電路如圖5所示。放大電路采用二級放大器，其中，第一級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算放大器LM224；R9用于調節直流偏置電壓；R12并聯的可變電阻R10用于調試。第二級放大電路采用可編程增益放大器PGA112，可變增益為1、2、4、8、16、32、64、128，該芯片與單片機接口只需要連接片選信號、時鐘信號和數據信號，通信方式為SPI總線方式。

回波信號含大量噪聲信號，一部分是超聲波換能器接收到空氣中的雜波信號，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、運放等，因此設計帶通濾波器。

2.2.3 電壓比較電路

濾波放大電路輸出信號通過第一級LMV385進行電壓跟隨，由第二級LMV385進行電壓比較，當輸入電位高于設定電位值時，輸出低電平，該電平作為單片機外部觸發信號產生中斷，結束計時。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

根據超聲波測距公式可知，主要誤差來自兩個方面：聲速測量誤差、超聲波信號傳播時間誤差。基于此，從以下兩個方面對誤差進行研究分析，并提出改進方法。

3.1 聲速測量誤差

[8]提出了溫度、濕度雙補償方法，筆者認為實際空氣并不是完全干燥的，對空氣平均摩爾質量和比熱比值進行修正，上述方法雖然考慮了溫度和濕度對聲速的影響，但實際環境條件下，聲速還受風速、壓強等因素影響，因此測量結果仍存在誤差。基于環境的不確定性，本文提出利用擋板實時測量當前聲速，將影響因素都考慮在內，從而提高測量精度，且適應復雜環境。其擋板安裝如圖7所示。

圖7 擋板安裝圖

原理是預先設定擋板到超聲波換能器的固定距離，如設定1 m，則換能器1、2同時發射超聲波，換能器1發射的超聲波遇擋板反射，換能器2發射的超聲波遇水面反射，分別對擋板發射時間和水面反射時間進行測量，兩個時間比值即換能器到達水面的距離。

3.2 超聲信號傳播時間誤差

由于超聲波換能器的機械慣性，其發射聲波起振逐步由小到大，首波信號的幅值很小，且隨距離變化而變化；另在反射面反射過程中，信號會損失一部分，因此用常規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間，思路如下：

(1)對信號設置1倍增益，檢測信號傳播時間t1；對信號設置2倍增益，檢測信號傳播時間t2。以此類推，每次增益為前一次的2倍，分別檢測信號傳播時間t3、t4、t5、t6、t7、t8；

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

(3)判斷差值與換能器諧振周期的大小關系，從而確定第一回波前沿位置，即從t12開始若有2個連續差值小于諧振頻率的一半，則這3個相鄰傳播時間都是檢測到1個周期內，因此可以判斷檢測到第一回波前沿。判斷依據是根據回波波形，除第一回波周期最大幅值遠大于噪聲幅值外，后續回波周期最大幅值不會遠大于前一個周期。此依據是經驗總結，理論研究尚未成熟。

4 實驗結果分析

為驗證系統的測量精度，進行實驗研究。實驗時，環境溫度為25℃，超聲波換能器頻率為40 kHz，在2 000 mm范圍內，水位檢測數據與標準液位變化值作對比。

由于測量誤差具有隨機性，在程序設計時可讓系統進行3次測量，并對3次測量結果求平均值來減小系統隨機誤差。測量數據如表1所示。

通過實驗數據可知，超聲波液位測距結果個別數據超出了4 mm檢測精度，但通過3次采集求平均值可以減小測量誤差。最終，檢測均值與標準液位值之間的差均小于4 mm，實現了高精度測距，滿足了工農業生產中的測量需求。

5 結論

在全面分析超聲波測距引起誤差原因的基礎上，提出了通過增加標準擋板提高超聲波信號速度的測量精度，通過多次增益校正確定第一超聲回波前沿，并設計了相應的硬件電路和軟件程序，通過實驗證實了該系統測距精度的改進。

表1 超聲波液位檢測數據表

在測量超聲波傳輸時間過程中，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數以及每級之間的倍數是測量分辨率的3個重要因素。所述研究方法還有待于改進，例如標準測距的校正，即如何應對測量超聲波換能器與擋板之間的距離不等于實際距離1 m的情況。

參考文獻

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[8] 林偉, 梁家寧, 李才安. 便攜式多功能超聲波測距儀的設計與實現[J]. 電子測量技術, 2008, 31(1): 91-93.

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. 一種改進的超聲波測距方法研究[J] .微型機與應用，2016,35(2)：70-72.

2015-09-28)

田文成(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：計算機監測控制技術。

周西峰(1960-)，男，學士，教授，主要研究方向：計算機監測控制技術、智能與網絡化控制系統。

郭前崗(1960-)，男，博士，教授，主要研究方向：自動控制系統及先進功率變換系統理論與技術。