超聲波測(cè)距精度怎么樣

超聲波測(cè)距精度：±（1cm+0.5%×距離），比較低一些。

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。

測(cè)距的公式表示為：L=C×T

式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差（T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半）。

超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。

超聲波測(cè)距誤差的分析及修正方法

1.超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響

穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件。波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性，傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響。對(duì)于測(cè)距而言，引起聲速變化的主要原因是媒質(zhì)溫度的變化，溫度變化是造成超聲波測(cè)距誤差的主要來(lái)源之一。因此在測(cè)距過(guò)程中，必須對(duì)超聲波速度進(jìn)行修正，超聲波在空氣中傳播速度與溫度的關(guān)系可表示為c= 331.4×

1+t/273u33114+01607t（m/s），t為環(huán)境攝氏溫度。因此用常溫下的超聲波速度341m/s來(lái)計(jì)算不同溫度環(huán)境下的超聲測(cè)距的距離是有很大的誤差。為了提高測(cè)距精度，必須對(duì)超聲波的速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，用溫度傳感等測(cè)溫器件測(cè)得環(huán)境溫度的數(shù)值，從而得到該環(huán)境下的超聲波速度。也可采用聲速預(yù)置和溫度補(bǔ)償相結(jié)合的方法對(duì)聲速進(jìn)行修正，將更有效地降低因溫度變化而產(chǎn)生的誤差。

2.影響回波時(shí)間t測(cè)定的因素及減小誤差的方法

在測(cè)量過(guò)程中，為了防止其他信號(hào)的干擾，提高測(cè)量的可靠性，單片機(jī)開始計(jì)數(shù)時(shí)，超聲傳感器常常發(fā)射由多個(gè)方波組成的脈沖串（如5~9個(gè)脈沖為一串）作為測(cè)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(zhì)的影響，故實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零觸發(fā)。通過(guò)對(duì)超聲波接收回波的觀察分析，發(fā)現(xiàn)接收回波經(jīng)包絡(luò)檢波后，其包絡(luò)線前沿為按指數(shù)規(guī)律上升的曲線，大約在第九個(gè)波到包絡(luò)線的峰頂，第三個(gè)波近似為峰頂?shù)?5%。故接收電路常設(shè)計(jì)為接收到第3個(gè)回波時(shí)，單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。所以最終測(cè)得的時(shí)間比實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間多出3脈沖發(fā)送時(shí)間，從而造成了回波時(shí)間t的測(cè)量誤差。

為了提高測(cè)時(shí)精度，必須準(zhǔn)確地檢測(cè)到第一回波脈沖沿到達(dá)的時(shí)間。用固定閾值的單比較器檢測(cè)回波，由于聲波在傳輸過(guò)程中存在吸收衰減和擴(kuò)散損失，聲強(qiáng)隨目標(biāo)距離增大，而呈指數(shù)規(guī)律衰減，在量程范圍內(nèi)，最近目標(biāo)和最遠(yuǎn)目標(biāo)的回波幅度相差較大，可能導(dǎo)致越過(guò)門檻的時(shí)刻前后移動(dòng)，從而影響計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。

解決這一問(wèn)題的方法：方法一是采用雙比器整形電路，這能較準(zhǔn)確地對(duì)回波前沿到來(lái)的時(shí)刻進(jìn)行測(cè)定。如圖2所示，vm為峰值電壓，設(shè)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(shí)驗(yàn)設(shè)定），當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波時(shí)，單片機(jī)定時(shí)器t1和t0同時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)比較器1翻轉(zhuǎn)時(shí)，t0停止計(jì)時(shí)，此時(shí)t0所計(jì)的時(shí)間為t1，當(dāng)較器2翻轉(zhuǎn)時(shí)，t1停止計(jì)時(shí)，此時(shí)t1所計(jì)時(shí)間為t2，顯然t2》t1，t是回波前沿所對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間，則，用t計(jì)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(shí)間變化的自動(dòng)增益控制電路（agc），使放大回路在接收時(shí)間內(nèi)，電壓放大倍數(shù)隨測(cè)量距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加，以補(bǔ)償吸收衰減和擴(kuò)散損失，使接收回波的幅值保持恒定或者僅在較小范圍內(nèi)變化以滿足整形電路的要求，再經(jīng)過(guò)整形電路輸出，這可大幅度提高測(cè)距的精度。當(dāng)然因agc電路（包括放大器本身），對(duì)信號(hào)的階躍響應(yīng)有滯后現(xiàn)象，瞬時(shí)跟蹤性不一定很好，而回波信號(hào)恰恰是爆發(fā)性的，因而也存在一定的誤差，但這可忽略不計(jì)。

方法三是設(shè)計(jì)一個(gè)在測(cè)量時(shí)間內(nèi)，隨時(shí)間增加閾值電壓逐漸減小的電路，產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)增加而按指數(shù)規(guī)律減小的閾值信號(hào)加到比較器上，這將補(bǔ)償因測(cè)量距離增加而造成回波幅度的減小，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。采用可編程放大器和數(shù)字電位器等器件，通過(guò)軟、硬件結(jié)合，可設(shè)計(jì)出多種這樣的電路。也可由運(yùn)算放大器和場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)合構(gòu)成受控放大器，場(chǎng)效應(yīng)管作為壓控電阻，構(gòu)成反饋調(diào)節(jié)回路。但這種電路的跟隨性不如上述數(shù)字電路。

3.超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角對(duì)測(cè)距的影響

如果系統(tǒng)是用來(lái)測(cè)量面與點(diǎn)的距離，當(dāng)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(shí)，系統(tǒng)測(cè)量到的距離是被測(cè)點(diǎn)（物）與換能器之間的距離s。而不是測(cè)量平面與被測(cè)物之間垂直距離d，這就會(huì)造成測(cè)量誤差。解決該問(wèn)題的方法是利用三角形的有關(guān)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算修正。

4.盲區(qū)

在測(cè)距時(shí)，傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波來(lái)作為測(cè)量的載體，因此只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為t，則在t時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號(hào)就無(wú)法捕捉。另外超聲波傳感器有一定的慣性，即有一個(gè)從受迫振動(dòng)到平衡振動(dòng)再到阻尼振動(dòng)的過(guò)程，故發(fā)送結(jié)束后還有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號(hào)，這種電壓信號(hào)疊加到回波信號(hào)上，使電路鑒別不出真正的回波，從而擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)工作。因此在余振未消失以前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收。以上兩個(gè)原因造成了超聲波傳感器具有一定的測(cè)量范圍，即存在所謂的盲區(qū)。

此外，引起測(cè)量誤差的還有很多，如指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間，而使得測(cè)量的數(shù)據(jù)偏大，時(shí)基脈沖頻率的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中其它物質(zhì)干擾等。