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  超聲波測距儀的工作原理
超聲波測距儀的工作原理
發布時間:2020/5/18 8:29:26

1、 超聲波發生器 

為了研究和利用超聲波,人們已經設計和制成了許多超聲波發生器。總體上講,超聲波發生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產生超聲波,一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。 

2、壓電式超聲波發生器原理 

壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖1所示,它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發生共振,并帶動共振板振動,便產生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉換為電信號,這時它就成為超聲波接收器了。 

3、超聲波測距原理 

超聲波發射器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離(s),即:s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。 

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知,測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間,根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。由此可見,超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。 

測距的公式表示為:L=C×T 

式中L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時間差(T為發射到接收時間數值的一半)。 

超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業現場等的距離測量,雖然目前的測距量程上能達到百米,但測量的精度往往只能達到厘米數量級。 

由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點,是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度,但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因,提高測量時間差到微秒級,以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后,我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。 

超聲波測距誤差分析 

根據超聲波測距公式L=C×T,可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。 

時間誤差 

當要求測距誤差小于1mm時,假設已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫),忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。 

在超聲波的傳播速度是準確的前提下,測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級,就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數到1μs的精度,因此系統采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。 

超聲波傳播速度誤差 

超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響,空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快,而空氣的密度又與溫度有著密切的關系,如表1所示。 

已知超聲波速度與溫度的關系如下: 

式中: r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值,對空氣為1.40, 
R —氣體普適常量,8.314kg·mol-1·K-1, 
M—氣體分子量,空氣為28.8×10-3kg·mol-1, 
T —絕對溫度,273K+T℃。 

近似公式為:C=C0+0.607×T℃ 

式中:C0為零度時的聲波速度332m/s; 
T為實際溫度(℃)。 

對于超聲波測距精度要求達到1mm時,就必須把超聲波傳播的環境溫度考慮進去。例如當溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s,溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達到5m,測量1m誤差將達到5mm。

 

 

 

 

1、 超聲波發生器 

為了研究和利用超聲波,人們已經設計和制成了許多超聲波發生器。總體上講,超聲波發生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產生超聲波,一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。 

2、壓電式超聲波發生器原理 

壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖1所示,它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發生共振,并帶動共振板振動,便產生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉換為電信號,這時它就成為超聲波接收器了。 

3、超聲波測距原理 

超聲波發射器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離(s),即:s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。 

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知,測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間,根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。由此可見,超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。 

測距的公式表示為:L=C×T 

式中L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時間差(T為發射到接收時間數值的一半)。 

超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業現場等的距離測量,雖然目前的測距量程上能達到百米,但測量的精度往往只能達到厘米數量級。 

由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點,是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度,但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因,提高測量時間差到微秒級,以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后,我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。 

超聲波測距誤差分析 

根據超聲波測距公式L=C×T,可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。 

時間誤差 

當要求測距誤差小于1mm時,假設已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫),忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。 

在超聲波的傳播速度是準確的前提下,測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級,就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數到1μs的精度,因此系統采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。 

超聲波傳播速度誤差 

超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響,空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快,而空氣的密度又與溫度有著密切的關系,如表1所示。 

已知超聲波速度與溫度的關系如下: 

式中: r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值,對空氣為1.40, 
R —氣體普適常量,8.314kg·mol-1·K-1, 
M—氣體分子量,空氣為28.8×10-3kg·mol-1, 
T —絕對溫度,273K+T℃。 

近似公式為:C=C0+0.607×T℃ 

式中:C0為零度時的聲波速度332m/s; 
T為實際溫度(℃)。 

對于超聲波測距精度要求達到1mm時,就必須把超聲波傳播的環境溫度考慮進去。例如當溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s,溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達到5m,測量1m誤差將達到5mm。

 

 

 

 

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