超声波测距技术改进方法与实现

时间：2024-05-04

摘要随着科学的发展，人们对测距的要求越来越高，但是传统的超声波测距不可避免的存在这样或那样的局限性，这就要求我们不停对超声波测距技术进行改进。这篇文章主要对超声波测距的影响因素进行了分析探讨，并在此基础上提出一些改进的方法。

【关键词】超声测速高精度改进方法

随着现代科学技术的进步，对测距的研究和应用日益增多，比如激光测距和超声波测距等等，其中超声波测速存在很大的优势，有非常强的指向性，而且能量消耗慢，在介质中传播速度快，有非常强的环境适应能力，不易被干扰，而被广泛应用，多应用于近距离非接触式测量，如机器人定位，管道长度的测量等应用中，同时在漫反射中和恶劣环境中也有应用。超声波还具有非接触性和非破坏性的优势，这些优势决定了它普遍适应性，它在医疗，材料科学等领域中也是不可或缺的。

1 超声波简介

频率被定义为单位时间内物体振动的次数，它的单位是赫兹，人耳能听到的范围是20Hz～20000Hz，而超声波是人耳无法听到的，其频率范围在20000Hz以上，超声波有其独特的优点，方向性好，能量高，穿透性好。这都是因为超声波拥有极大的能量，因为物体的震动频率越高，能量就越大，超声波可以在极短的时间内震碎一只高脚酒杯。而超声波加湿器就是利用这一原理来工作的。

2 超声波测距的现状与不足

超声波在实际应用中有很多局限性，如在超声波测距中的某些瑕疵，这就影响到它的检测精确度。首先，超聲波的传播介质是空气，在空气传播中会造成衰减，且衰减程度比较大，而每次的测量距离不一样，就会造成回拨信号的起伏，出现测量误差；其次，是接收方面的局限性，超声波在接收过程中会被展宽，这就会影响超声波脉冲回拨的稳定性，进而影响测距的分辨率造成测量结果不准。另外，外界环境因素也是影响因素之一，这些因素造成超声波的使用有非常大的局限性，使其不能广泛应用。

2.1 国内外对超声波测距的理论研究

最初的超声研究起源于1879年的气哨实验，1912年，在一艘豪华游轮触礁沉没后，人们提出用超声波测距。在1988年，厦门大学童峰，许天源，许天增，合力建立了起伏模型，对检测窗进行了算法，均取得了较好的效果。

超声波测量系统通过几十年的发展，吸收了其他多种学科的知识体系，如电子电路技术，传感器技术等，现已成为一门综合性的研究，它的研究成果不断被应用于生产，生活中，为人们提供了科学技术的保障。

3 超声波测速原理

首先使用超声波测试仪向被测物体发出物理射线，同时开始计时该射线在空气中进行传播，遇到障碍物就会反弹回来，这时候由接收器对反射回来的超声波进行接收，同时停止计时，对检测出的时间和速度进行记录，用速度、时间和距离之间的关系，就能很容易的计算出距离。

被测速离的计算公式为：D=?ct

式中：c为超声波传播速度

t为从发射到接收所需要的时间

常用的超声波测速方法：

目前，有很多的测距方案，比如激光测距，超声波与其相比，时间测量精确度较低，而且超声波测距系统简单易得，计算简单，而且不受空气，天气能见度的影响，在各种场合都能应用。

（1）相位检测法：一种是通过发射不同频率的超声波来实现的，另一种是通过单一的超声波探头进行检测，此方法测距适用于一周期以内，且精度很高。

（2）幅值检测法：先发射一定频率的超声波，接收到的超声波的脉冲强度，可以用反射进行检测，进而求得目标距离，这种方法由于空气中杂质太多，精确度和稳定性易受影响。

（3）时间差法：超声波发射器向某一方向发射超声波，并且开始计时，碰到障碍物时立即返回来，超声波接收到信号，立即停止计时。通过计算检测得到的时间，和当时的声速，就可以计算出距离。

4 超声波测距的影响因素

4.1 温度因素

在超声波速度影响因素中，温度是主要因素之一，不同的温度会给超声波传送速度造成很大的影响，且这种影响是成正比例的，温度越高，传播速率就越高，反之亦然，所以使用超声波测距时，应注意温度的影响，并给予温度补偿，尤其是在测速过程中，对温度的测量要非常精确，充分排除温度因素影响。减少测速误差。

4.2 超声波发射与传播角度的因素

当超声波发射时，会存在一个角度，它与被测物体不一定是垂直90度的，那么它射出光束和接收到反射回来的光就存在误差，在后期要注意校正。

4.3 衰减的因素

在空气中，超声波在空气介质中，传播中受到扩散，散射的影响，其强度随着传播的增加而衰减。

4.4 其他因素

在超声波测距的时候，它的环境和测量工具不可避免的存在误差，无法达到高精度的测量。比如障碍物的质地不同，所以超声波被反射回来的力量也不同，而且所采取的换能器的不同，其灵敏度和时间差的计算也会对测量结果产生不可避免的影响。

5 超声波测距的改进方法

超声波测距系统的组成比较复杂，是由单片机，超声波发射电路，超声波接收电路，触摸按键控制电路，和温度补偿电路，显示电路组成的，缺一不可，其中单片机是系统核心。在测量过程中，空气会对结果产生影响，因此要加强对外部空气的实时检测，校准超声波的传播速度。在超声波的接收模块里，要增加时间增益补偿电路和峰值时间检测电路，信号通过处理，可正确检测时间，提高测量的精确度。电容触摸按键作为控制按键，取代了机电开关，避免了控制按键由于环境的影响而导致检测的失效。

超声波测距系统可改进方面：

（1）环境的温度，要加强对环境温度的监测。

（2）要尽量选择高精度的仪器，避免误差。

（3）出现误差时，要考虑多方面的因素。

6 结束语

这次通过对超声波测距的原理及测量过程进行分析，发现其存在的问题，并提出来了解决方案，在其过程中，发现超声波测速具有广泛的前景，要加强对其的研究和谈讨。现将在这次论文中的理论总结如下：

超声波测速中存在的误差有多种原因，包括设计方案的原因，环境的问题等。因此，为了得到准确的测量数据，必须要结合实际情况，排除多余因素，减少误差。

参考文献

[1]杨秋菊.高精度超声波测距系统的研究与设计[D].成都：西南石油大学，2014（12）.

[2]李天娇.关于超声波测距的研究[D].成都：成都理工大学，2015（06）.

作者简介

郝春吉（1966-），男，吉林省吉林市人。北华大学副教授。主要研究方向为智能信息处理。