高精度超声波测距仪的设计和实现.doc

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1、 摘要 超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。 系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和温度补偿电路，另外还有复位电路和通讯电路等。硬件电路以AT89S52单片机为核心，并具有低成本、微型化、带LCD液晶显示等特点。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、温度测量

2、、显示、语音播报等模块组成。发射探头的信号发射出去，单片机的计时器开始计时，然后当单片机接收回波时,计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机,通过程序对速度进行校正, 结合两者实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，实现数据显示在LCD上。关键词：AT89S52，超声波，传感器，测距仪，温度补偿，LCDDesign and Implementation of Ultrasonic Range FinderAbstractSound frequencies abov

3、e 20kHz is called Ultrasound, it belongs to the scope of mechanical wave.Ultrasound can also follow the general mechanical wave propagation in an elastic medium, as in the medium occurs at the interface reflection and refraction, absorption of the medium into the medium occurred after attenuation. U

4、ltrasound can be used for distance measurement with these properties. With the continuous improvement of technological level, ultrasonic distance measurement techniques are widely used in daily work and life.System design includes two parts, namely, hardware and software programs. Hardware circuit i

5、ncludes a microcontroller circuit, transmitter circuit, receiver circuit, display circuit and temperature compensation circuit, in addition to reset circuit and communication circuit. AT89S52 microcontroller is the core of hardware which is low cost,miniaturization,with LCD liquid crystal display an

6、d so on. The modular design of the livelong circuit contains the signal transmission and reception, temperature measurement, display, voice broadcast and other modules.The microcontroller timer starts time when the probe launch ultrasound, after the original ultrasound was reflected, ultrasound will

7、 be incepted by the probe,then microcontroller stop working and get time. After sending the temperaturemeasurement to the microcontroller, process of correction will revise the speed.It can achieve the function of ultrasonic ranging by combining the anterior time and speed. Main software program inc

8、lude preset subroutine, subroutines launch, receive routine, display routines and other modules. It controls the microcontroller to send and receive data, velocity correction on the ultrasonic at a certain temperature, data displaying on the LCD.Key Words：AT89S52,Ultrasonic wave,Ensor,Range Finder,T

9、empearture compensation,LCD目 录摘要Abstract.第一章 绪论.11.1 选题背景及意义.11.2 现阶段本课题相关研究现状.11.3 本课题相关说明.3第二章 超声测距技术方案分析.42.1 超声与超声的特性.42.2 超声的应用.52.3 超声波传感器.52.3.1 超声波传感器的原理及结构.52.3.2 超声波传感器的种类.72.3.3 超声波发射器.82.3.4 超声波接收器.82.4 超声测距原理.92.4.1 超声测距原理.92.4.2 超声波测量中盲区及近限和远限102.4.3 提高测距仪性能的方法112.5 超声测距系统的主要参数122.5.1

10、传感器的指向角122.5.2 测距仪的工作频率122.5.3 声速132.5.4 发射脉冲宽度132.5.5 测量盲区13第三章 超声波测距系统硬件部分设计153.1 概述153.2 各功能模块介绍设计163.2.1 单片机处理单元163.2.2 发射模块193.2.3 接收模块213.2.4 语音播报模块223.2.5 温度补偿模块243.2.6 无线传输模块25第四章 超声波测距系统软件部分设计.274.1 超声波测距仪的算法设计274.2 主程序流程图284.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序29第五章 系统实现与检验.315.1 硬件组实物图315.2 功能测试335.2.1 测

11、试环境335.2.2 测试结果355.3 超声波测距误差分析355.3.1 发射接收时间以及当地声速对测量精度的影响分析355.3.2 提高精度的方案及系统设计36第六章 结束语.38参考文献39致谢40附录41- 47 - 第一章 绪论1.1 选题背景及意义超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了

12、超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。目前基于超声波测距的精度需求和盲区减小的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔

13、大小的检测和机械内部损伤的检测等。本文结合超声波精确测距的需要，进行了系统的硬件和软件设计，分析了影响超声测距精确度的多种因素，来有效提高测距系统的精度。1.2 现阶段本课题相关研究现状 F.GALton在1876年进行了气哨实验，代表着人类第一次产生的高频声波。而我国于1956年开始超声的大规模研究。迄今，我国对超声已经广泛地在的各个领域得到发展和应用，特别要提出的是，其中一些项目能够与国际水平相接近。超声波测距与定位技术是关于声学以及仪器科学的综合性大学科，由超声波换能器、超声波发射和接收电路、控制电路等组成了利用超声波来测量距离值。目前在各个领域中都得到了使用，并取得了很好的成果。R.K

14、uc.1提出了三维的仿生声纳系统，系统可以利用超声波自动的寻找被测目标物体。它共有五个超声传感器构成这个系统最主要的感知装置。发射超声波的换能器安装在十字架交叉点，有四个换能器用来接收超声波共分别安装在十字架的边缘位置上。这样，被测目标的距离与方位能够依据空间几何关系就能算出。R.X.Gao和C.Li2研制了专门为盲人服务的超声测距系统，该系统利用微处理器的作为主控制芯片，回波包络采用特殊的发射波形来获得，设置一定的回波阈值电平采用自动增益的控制放大器放大回波波形，这些措施有效的提高超声波的探测精度。G.Bucci和C.Landi3提出了一种对于输入超声波信号的功率谱算法，该算法利用了信号进行

15、傅里叶变换后功率谱密度中所包含的信号特征确定回波的前沿，更加精确的确定渡越时间。R.Demirli，J.saniie4的文章是利用峰值出现的时刻来估算出信号的传播时间，从而提出相关估计法，这个方法又叫做通过匹配的方式来得到结果，在这里主要用到了返回波信号的幅值与形状。如果在这个过程中，波形没有畸变，且高斯白噪声叠加在返回波上，则此方法的精确度均高于阈值检测法。F.Devand，G.Hayward和J.Soraghan5受蝙蝠在夜空中捕食启发，提出了一种具有独特优点的自适应超声成像聚焦系统，对超声成像中图象畸变的消除有重要价值，提高超声图像的分辨率通过使用重叠的频率调制信号。此使用了不同频率的超

16、声波。基本理论基础是使用时间和频率信息并且通过改进的算法来解决频域中的合成干涉图，因此该超声成像系统在三维空间有高分辨率的特点。国内一些学者也作了相关研究。同济大学设计了基于伪随机码的时延两步相关估计法6。该方法采用PRBS(伪随机二进制信号序列)作为发送信号，通过求互相关函数确定传播时间，由此达到非常高的抗干扰能力。引入PRBS还节约了用于计算互相关函数通常所必需的乘法。此外还设想并实现了一个两步相关法以减少处理时间。借助于数学分析阐述了PRBS的生成，特点和参数选择。这些思路在测量装置上得以实现。通过用模拟的噪声信号进行的测试结果表明，测量装置具有很强的抗干扰能力。哈尔滨工业大学分为两次进

17、行粗测距和精测距7。粗测距先大概估测测距范围，具体的操作是先发送一串超声波，回波信号在控制器计算分析处理。根据处理的结果设定尽可能合理的鉴幅阂值。精测距是在此基础之上控制器发送另一串超声波，按照在粗测距中设定的阂值，精测距中的回波前沿被捕捉，实现精确测距目的。中国科学院上海声学实验室8文章介绍两个不同频率的超声波在测距的时候先后被发射出去，其中频率较大的超声波用于测量较近的距离，对回波信号进行分析处理，并自动设定合理的鉴幅阂值，再发送频率较小的测较远的距离，捕捉回波前沿某一固定位置的信号，从而达到精确测距之目的，这样可实现在较大的范围内实现较高的测距精度。这样，把远程测距与近程测距分开进行，就

18、可以克服测距范围与测距精度之间的固有矛盾。目前，超声技术和扩频通信技术的结合在某些方面已经得到了应用。西北工业大学应用扩频原理设计了一种液位测量系统，可控声源被使用在其中9。从国内外研究状况可以看出，影响超声波检测精度的因素是测量的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度。国内外的研究成果使得超声波检测的精度得到了提高，这些处理方法都得到了很好的效果。 由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求

19、得距离。1.3 本设计相关说明根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器10.11，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，其中硬件部分主要由单片机主系统及超声波发射模块、超声波接受模块、温度补偿模块、语音播报模块、LCD显示模块几部分组成。采用AT89S52来实现对各个子模块的控制。由单片机计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，结合超声波声速通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离，并将距离和温度补偿模块所测得的环境温度在LCD屏幕上予以显示。软件部分主要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。具体的硬件、软件设计细节，将在本文第三章和第四章中

20、详细阐述。第二章 超声测距技术方案分析2.1 超声与超声的特性声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。人的听觉范围如图2.1所示。图2.1 人的听觉范围 超声波的特性有：（1）束射特性由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，

21、则折射率也愈大。（2）吸收特性声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。（3）超声波的能量传递特性超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢。因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分

22、子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。 （4）超声波的声压特性当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用12。2.2 超声的应用目前各种超声波仪器和装置已经广泛地应用在了工业、通信、医疗等许多行业中。超声检测技术的基本原理是利用某种待测的非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液位、厚

23、度、缺陷等)之间存在着的直接或间接的关系，在确定了这些关系之后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。正是在这种工作原理下，我们可以充分地利用超声波的各种特性来研制超声波传感器，配合不同的信号处理与显示电路完成许多待测量的检测工作。超声波具有与电磁波相似的一面，同时又有其自身的一些特点:1.能以各式各样的传播模式(纵波、横波、表面波、薄板波)在气体、液体、固体或它们的混合物等各种媒质中传播，也可在光不能通过的金属、生物体中传播，是探测物质内部的有效手段。2.由于超声波与电磁波相比速度慢，对于相同的频率波长短，容易提高测量的分辨率。3.由于传播时受介质声速、声阻抗和衰减常数的影响大，所以，

24、反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态。2.3 超声波传感器为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。2.3.1 超声波传感器的原理及结构13 超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、压电式和电铁伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。图2.2 超声波换能器TCT4016套件实物组（T为发

25、射，R为接收）压电换能器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材料的发展为前提条件的，1880年居里兄弟发现了晶体的压电效应，但直到电子管放大器的发明，压电材料的压电效应才真正用于电声转换上来。在第一次世界大战期间，法国物理学家朗之万于1916年研制成功了第一个真正实用的压电换能器，并将其应用于潜艇的探测中。在朗之万发明的换能器中，压电石英片被夹在两块厚钢板中，后来这种换能器被广泛应用于超声探测仪中。直到现在，朗之万型换能器仍在得到广泛的应用，如功率超声和水声中。同时，由于压电换能器作为高频声源的出现，使得高频声的研究成为现实，而声学的应用也被迅速地扩展，一个重要的声学分支超声学迅速发展起来，并

26、得到了越来越多的重视。压电效应包括逆压电效应和正压电效应。(1)逆压电效应将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，晶体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体祸合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。(2)正压电效应当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反

27、的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能(即声能转换成电能，接受超声波的装置，称为接收换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等。超声波传感器的结构:超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电陶瓷上时，压电陶瓷组件就在电场作用下产生纵振动。压电组件在超声振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，但这种振动加速度很大，于是把电磁振荡能量转化为振动能量，这种巨大的超声波能量，沿着特定方向传播出来。其关键技术是使超声波声束变细，除待测物体外不受其它构造物的影响。超声波换能器是产生超声波必需的能

28、量转换装置，它把超声电磁振荡的能量转换为声波。相邻两片的压电陶瓷片极化方向相反，芯片的数目成偶数，以使前后金属盖板或壳体与同一极性的电极相连，否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈，会导致结构不必要的增大。两芯片之间，芯片与金属该班之间通常夹以薄黄铜片，作为焊接电极引线用;芯片，电极铜片用强力胶胶合。在压电组件的中央部分用结合轴与圆锥状谐振子连成一体，圆锥状谐振子的边缘部分装有圆环状弹性橡胶减振器，使之与外壳固定，起声阻匹配作用。在电一声变换部分的前面的超声波束整形板，是对应圆锥状谐振子的振动模式设置的几个开口。使超声波波束指向尖锐，吸声片吸收多余反射声波。通过上述超声换能结构，配以适当的收发

29、电路，可以使超声能量的定向传输，并按预期接收反射波，实现超声遥控、测距、防盗等检测功能。2.3.2 超声波传感器的种类超声波传感器根据应用范围的不同可分为以下四类(1)通用型超声波传感器超声波传感器的带宽一般为几kHz，并具有选频特性。通用型超声波传感器的频带窄，但是灵敏度较高，抗干扰性强。但通用型接收传感器与发送传感器是分开使用的，测量中必须成对使。在多通道通信使用时器件比较多，使用不方便，采用宽频带传感器较为方便。因为宽频带传感器发送和接收是共用一个探头的传感器输出开路时，其输出电压较高，但阻抗也高，易受噪声的影响，通常要接入几千欧到几百千欧的电阻。(2)宽带型超声波传感器宽带型超声波传感

30、器在工作带宽内具有二个谐振频率，即具有二个谐振点。所以，一个传感器可以兼作接收传感器与发送传感器。宽带传感器具有两个谐振频率，其频率特性就相当于两种传感器的组合。因此，在很宽频带范围内具有较高的灵敏度。 (3)密封型超声波传感器密封型超声波传感器对环境的适应性较强，可应用于汽车后方检测物体的装置以及待时计算器等。 (4)高频型超声波传感器上述各种类型传感器的中心频率只有数十kHz，但中心频率高于100kHz的传感器近来也有销售。2.3.3 超声波发射器 发射器的作用是形成与被检测对象相作用的超声波束，它的特性包括共振频率、方向性、电声变换效率、稳定性等。按照应用领域的不同，超声波束可以是强方向

31、性的、扇状的、无方向的形状，还有些发射器附带有调整层，以便发射器与媒质的音内阻抗相匹配。超声波发射器的驱动机构包括，反压电效应、电致伸缩效应、动电效应、电磁效应、磁致伸缩效应等，它恰好是上述超声波接受的相反作用，所以从结构上看，发射与接受呈一一对应的关系。图2.3 超声波换能器结构图2.3.4 超声波接收器超声波接收器接收原理基于伴随声波而产生的电容、压电、反压电、动电、电磁、反磁致伸缩声光效应等。优点是与空气的声阻抗匹配良好，频带宽。压电型主要用石英晶体或氧化锌材料。电致伸缩型微音器的接收器用反压电效应大的电介质板作为接收器。结构上有采用PVDF膜作为受音体、也有采用钦酸、镐酸铅系列陶瓷以板

32、状或圆桶状受音体的形式结构。在压电膜上制作梳状电极，可以构成检测超高频段的声表面波的传感器。动圈式接受器的结构为在磁场中防止带有受音板的可动线圈或导体带，当它们因超声波而运动时，产生感应电动势，由于受音体惯性大，因而只适用于低频。电磁效应型接收器的结构是将磁性受音板作为磁路的一部分，在磁路中设置拾音线圈。当超声波传来时，受音板发生唯一，使磁路磁场发生变化，在拾音线圈中产生电动势。基于反磁致伸缩效应的超声波接受器的构造主要有用磁致伸缩材料构成的线圈状结构，使用于低频；还有用磁致伸缩材料涂敷在物体表面上形成的结构，适用于高频，前者检测感应电流；后者检测置于静磁场空腔谐振器内，因超声波导致磁阻致伸缩

33、效应引起的微波磁场。声光效应构成的超声波传感器有利用光纤的波导部分的形变敏感构成的结构，也有利用对弹性体表面或内部弹性波束的衍射品格作用形成的结构。2.4 超声测距原理142.4.1 超声测距原理最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离S，即：S=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化

34、不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如下图所示：图2.4 超声波的测距原理 2.1 2.2式中:L为两探头之间中心距离的一半.又知道超声波传播的距离为: 2.3式中:v超声波在介质中的传播速度; t超声波从发射到接收所需要的时间.将（2.2）、（2.3）代入（2.1）中得： 2.4其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时, 公式2.4变为: 2

35、.5所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H。2.4.2 超声波测量中盲区及近限和远限用脉冲回波法测量距离时，障碍物与超声波探头间的距离既不能太远也不能太近，存在着距离测量的近限和远限。距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限存在的原因。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨出来，这是近限所以存在的原因。在使用一个探头同时充当发射和接收的情况下，由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上，虽然发射信号只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振，因此在一段较长的时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相

36、当强的，可以达到限幅电路，引起探头振动，不能进行正确的测量。同时，探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近处的液面反射信号也达不到限幅电路的限幅电平。当液面离探头越来越远时，接收信号与发射信号相隔时间越来越长，其幅值相应的越来越小。同时，接收信号的衰减程度总是要比发射信号余振的衰减慢得多。为了保证一定的信噪比，接收信号需要规定一个值，接收信号必须大于这个值，不能能有输出信号。这就构成了远限的问题。而使用双探头方式15，不仅可以增加探测距离，还可以减小盲区。由于发射探头上并不直接施加发射电压，所以，从理论上说，可以没有盲区。但是，由于接收电路多少会受到发射电路的感应，并且发射

37、探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头，因此实际上仍存在一定的盲区，不过它要比单探头方式的盲区小很多。在本次设计中，选取双探头的工作方式，减小盲区，同时提高检测的距离。2.4.3 提高测距仪性能的方法1.温度补偿法做声速校正要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速C必须恒定，实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下，由于大气压力变化很小，因此传播速度主要考虑温度的影响。对一定介质，通常采用对温度进行修正的方法16，可以测得比较准确的距离。通过对温度修正来校正声速的方法，即用测温元件测量实际环境，根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速，再根据测距公式2.3求得距离。空

38、气中声速C与温度T的关系在常温下可由下面近似公式表示: 2.62.减小盲区措施(1)压缩发射脉冲宽度发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震(拖尾)减少，此法常用于距离测量距离。(2)采用自动距离增益控制采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。另一方面，可使远处的回波信号的幅增大，以提高测量的精度。(3)信噪比问题超声波测距仪都有确定的量程。量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定阐值。这个闭值决定信噪比。噪声有两类，一类电噪声，在处理上同其它电子仪一样，另一类

39、为机械噪声，其中工业噪声频率较低，对液介式超声测距仪，工作率较高，可以避开工业噪声频谱段。而气介式超声回波测距仪，一般频率都较低，易引入工业噪声。这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。2.5 超声测距系统的主要参数.2.5.1 传感器的指向角传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，记为，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长元，传感器半径r有关。由 2.7 选f=40Khz时，=C/f=8.5mm。当f选定后，指向角近似与传感器半径成反比。指向角愈小，分辨率愈高，则要求传感器半径愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低

40、成本，选用国产现有压电传感器片最大半径。r=6.3mm，由公式2.8可知的大小为75度。 2.82.5.2 测距仪的工作频率空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在40KHz左右，太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的上作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz5。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。2.5.3 声速声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量

41、精度，传播介质中声速的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为17： 2.9式中，T是温度，将由温度补偿电路修正。2.5.4 发射脉冲宽度发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利，但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。2.5.5 测量盲区18在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现

42、象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下:图2.5 输入电压对超声信号的影响关系图如图所示，当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振(由于机械惯性作用。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平;另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值，亦即接收信号的幅值必须大于这一闽值才能使接受放大器有输入信号。由图2.5可见，从b点以后，接收的信号低于阈值，相当于测距的远限。另外，从图中A点以后，接收信