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超声波测距误差分析及修正方法
作者:admin 发布时间:2015/11/26 13:39:38 浏览次数:2318
0引言
超声波测距是一种利用超声波的可定向发射,方向性好,在介质中传播距离较远等特性,结合电子计数等微电子技术来实现的非接触式检测方式。在使用中不受光线、电磁波、被测物的颜色等因素影响,加之信息处理简单、成本低、速度快。在避障、车辆定位与导航、液位测量等领域得到了广泛的应用。但由于超声波存在回波窜绕现象,温度对超声波在空气中传播速度有较大影响,并且传播过程中存在衰减等,这些干扰因素导致测量中存在一定的误差,因此提高系统测距精度显然是目前需要解决的问题。
1超声波测距原理
用于距离测量的超声波,通常是由压电陶瓷的压电效应产生,这种压电陶瓷传感器有两块压电晶片和一块共振板,当给它的两极加频率等于晶片固有频率的脉冲信号时,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波。超声波为直线传播,频率越高,反射能力越强,利用超声波的这种特性,常常用渡越时间检测法进行距离的测量。其工作原理是超声波发射器向介质发射超声波,声波遇到目标后必然有反射回波作用在接收换能器上,测量从发射地至目标地传输所经过的时间,即当换能器发射出超声波开始计时,到超声波经空气传播至目标,再反射回传播至超声波接收器停止计时,测得传播时间为t,由下式可以求出声波发射地与目标之间的距离l,l=c#t/2,式中c为超声波在空气中的传播速度(m/s),t为超声波来回传播的时间,考虑到超声波在空气中传播时有相当的衰减,衰减程度与频率高低成正比,而频率高则分辨率也高,在综合考虑的基础上,实际测量中,一般选用40khz的超声波。
2超声波测距系统组成
超声测距系统由单片机控制器、超声波发射电路、超声波传感器、带通滤波电路、自动增益控制电路、峰值检波器、比较整形电路、lcd显示器、温度补偿电路等构成。
结构如图1所示。单片机是整个系统的控制核心,协调各部分电路的工作。单片机产生的40khz的脉冲信号,经放大驱动发射传感器发射同频率的超声波。当第一个脉冲发射后,单片机启动内部计数器开始计数。超声波被反射后再经接收端的超声换能器转换为电信号,经滤波放大后送给检波器,经整形后送单片机,单片机一检测到回波信号,计数器便停止计数,然后单片机再根据计数值和环境温度采集电路采集的现场温度数据,计算出距离,并由显示电路显示出来。
3超声波测距过程中误差的分析及修正方法
3.1超声波传播速度对测距的影响
稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件。波的传播速度取决于传播媒质的特性,传播媒质的温度、压力、密度对声速都将产生直接的影响。对于测距而言,引起声速变化的主要原因是媒质温度的变化,温度变化是造成超声波测距误差的主要来源之一。因此在测距过程中,必须对超声波速度进行修正,超声波在空气中传播速度与温度的关系可表示为c=331.4×
1+t/273u33114+01607t(m/s),t为环境摄氏温度。因此用常温下的超声波速度341m/s来计算不同温度环境下的超声测距的距离是有很大的误差。为了提高测距精度,必须对超声波的速度进行温度补偿,用温度传感等测温器件测得环境温度的数值,从而得到该环境下的超声波速度。也可采用声速预置和温度补偿相结合的方法对声速进行修正,将更有效地降低因温度变化而产生的误差。
3.2影响回波时间t测定的因素及减小误差的方法
在测量过程中,为了防止其他信号的干扰,提高测量的可靠性,单片机开始计数时,超声传感器常常发射由多个方波组成的脉冲串(如5~9个脉冲为一串)作为测量的载体。若接收电路中的比较器的阈值电压为一定值,由于粉尘及其它物质的影响,故实际测量时,不一定是第一个回波的过零触发。通过对超声波接收回波的观察分析,发现接收回波经包络检波后,其包络线前沿为按指数规律上升的曲线,大约在第九个波到包络线的峰顶,第三个波近似为峰顶的75%。故接收电路常设计为接收到第3个回波时,单片机停止计数。所以最终测得的时间比实际距离所对应的时间多出3脉冲发送时间,从而造成了回波时间t的测量误差。
为了提高测时精度,必须准确地检测到第一回波脉冲沿到达的时间。用固定阈值的单比较器检测回波,由于声波在传输过程中存在吸收衰减和扩散损失,声强随目标距离增大,而呈指数规律衰减,在量程范围内,最近目标和最远目标的回波幅度相差较大,可能导致越过门槛的时刻前后移动,从而影响计时的准确性。
解决这一问题的方法:方法一是采用双比器整形电路,这能较准确地对回波前沿到来的时刻进行测定。如图2所示,vm为峰值电压,设v1为比较器1的门限电压,v2为比较器2的门限电压,(其中(v2>v1,其值由实验设定),当超声波传感器发射超声波时,单片机定时器t1和t0同时开始计时,当比较器1翻转时,t0停止计时,此时t0所计的时间为t1,当较器2翻转时,t1停止计时,此时t1所计时间为t2,显然t2>t1,t是回波前沿所对应的传播时间,则
,用t计算距离比t1、t2精确度要高。
方法二是在回波接收电路中串入随时间变化的自动增益控制电路(agc),使放大回路在接收时间内,电压放大倍数随测量距离的增大呈指数规律增加,以补偿吸收衰减和扩散损失,使接收回波的幅值保持恒定或者仅在较小范围内变化以满足整形电路的要求,再经过整形电路输出,这可大幅度提高测距的精度。当然因agc电路(包括放大器本身),对信号的阶跃响应有滞后现象,瞬时跟踪性不一定很好,而回波信号恰恰是爆发性的,因而也存在一定的误差,但这可忽略不计。
方法三是设计一个在测量时间内,随时间增加阈值电压逐渐减小的电路,产生一个随时增加而按指数规律减小的阈值信号加到比较器上,这将补偿因测量距离增加而造成回波幅度的减小,以提高测量的准确度和重复性。采用可编程放大器和数字电位器等器件,通过软、硬件结合,可设计出多种这样的电路。也可由运算放大器和场效应管结合构成受控放大器,场效应管作为压控电阻,构成反馈调节回路。但这种电路的跟随性不如上述数字电路。
3.3超声波波束对探测目标的入射角对测距的影响
如果系统是用来测量面与点的距离,当超声波的入射角(或反射波入射到接收换能器的角度)不足90b时,系统测量到的距离是被测点(物)与换能器之间的距离s。而不是测量平面与被测物之间垂直距离d,这就会造成测量误差。解决该问题的方法是利用三角形的有关知识进行计算修正。
3.4盲区
在测距时,传感器用一段时间发射一串超声波来作为测量的载体,因此只有待发送结束后才能启动接收,设发送波束的时间为t,则在t时间内从物体反射回的信号就无法捕捉。另外超声波传感器有一定的惯性,即有一个从受迫振动到平衡振动再到阻尼振动的过程,故发送结束后还有一定的余振,这种余振经换能器同样产生电压信号,这种电压信号叠加到回波信号上,使电路鉴别不出真正的回波,从而扰乱了系统捕捉返回信号工作。因此在余振未消失以前,还不能启动系统进行回波接收。以上两个原因造成了超声波传感器具有一定的测量范围,即存在所谓的盲区。
此外,引起测量误差的还有很多,如指令运行需占用一定的时间,而使得测量的数据偏大,时基脉冲频率的稳定性与准确性,现场环境中其它物质干扰等。
4结束语
文章在介绍超声波测距原理的基础上,分析了测距过程中误差的产生及减小误差的方法。温度补偿,渡越时间的精确测定是提高超声波测距精度的主要措施。文中重点讲述了渡越时间的精确测定的方法:(1)采用双比较器;(2)用固定阈值的单比较器加自动增益控制电路,使放大器的增益随测量距离的增加而增大;(3)用单比较器加阈值电压控制电路,使阈值电压随测量距离的增大而减小。以补偿因传播距离的增加而引起回波信号强度减弱。实践证明,采用这些方法将大大减小测量误差,提高测量的准确度。
参考文献
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