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超声波测距原理及误差分析

2012-02-07 15:25阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1407690871

一、超声波测距原理
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：L=C×T
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半
)。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。
二、超声波测距误差分析
根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。
1.时间误差
当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。
在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
2.超声波传播速度误差
超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。
已知超声波速度与温度的关系如下：
式中： r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，

R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，
M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，
T —绝对温度，273K+T℃。
近似公式为：C=C0+0.607×T℃
式中：C0为零度时的声波速度332m/s；
T为实际温度(℃)。
对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。
美国国家半导体公司的LM92温度传感器的温度测试分辨率为0.0625℃，-10℃至+85℃准确度为±1.0℃，I2C总线接口。用89C51的通用I/O端口能很容易的模拟I2C总线的读写时序，LM92的高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。
超声波发射部分由89C51单片机P1.3产生40kHz的信号，通过CD4069驱动发射探头；系统接收部分由接收探头拾取反射回来的微弱信号，经过由TL082组成的30db放大器，再由二极管的检波电路得到一个直流电平送入比较器与门限电平比较，最后送入89C51的外部中断INT0，当接收电路接收到反射信号就中断89C51计数器停止计数，从而得到超声波从发射到接收信号的时间差，再读取LM92温度，根据温度修正超声波速度计算出测试的距离。

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