超声波测距原理及系统设计

一、超声波测距的原理

超声波测距是从发射开始计时，当声波遇到障碍物时返回，得到时间t，这就是渡越时间，然后再根据公式计算出距离s。设测量距离为s，往返时间差为t，超声波的速度为v，则有s=tv/2。

因为超声波也属于声波的范畴，它的速度v与空气的湿度、压强和温度都有很大的关系。例如：当温度上升10摄氏度，则它的速度会增加6m/s。如果在使用时温度变化不大，则可认为声速v是基本不变的，计算时取v为340m/s。如果测距的精确度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。

超声波测距的3种方法：

1、相位检测法：精度高，但是检测范围有一定的局限性;

2、声波幅值检测法：易受反射波的影响;

3、渡越时间检测法：简单方便，其功能很容易实现。

二、国内外超声波测距技术研究进展

近年来，由于各种超声波检测仪器大量问世，带动了超声波测距系统的长足发展。目前在超声波回波信号的处理方法上、新型的超声波换能器的研发上、超声波发射脉冲的选取三个方面，做了大量的研究工作，并针对影响超声波测距的因素，提出了温度补偿、接收回路串入自动增益调节等措施，提高了超声波测距系统的准确度。但是作为超声波测距系统的关键技术之一，回波信号处理仍然是目前研究的重点方向。

1、国内超声波测距技术研究进展

国内在超声波测距仪器上的研究也步入了国际先进行列。其中，由某研究院设计的型号为2000A的超声分析检测装置，是一个智能化测量仪器，在它的内部自带一个微处理器，所有的操作全部在微处理器的控制之下，其测试波形清晰，状态稳定，且操作简单，并具有断电存贮的功能。其先进的设计理念，齐全的使用功能，且在设计上的创新和突破都遥遥领先与国内同类产品，并进入了国际领先行列。

在2012年第1期《仪表技术与传感器》发表的“新型嵌入式超声波测距系统”一文中，设计了一种以C8051F320单片机、反激变换器和专用集成电路为核心元件的超声波测距系统，它可以增大超声波的发射频率和准确接收回波信号。测试结果表明这种系统测量数据准确，线性度好，性能稳定，成本低等特点可以广泛应用于工业领域。

在2012年第33期《广西物理》发表的“基于温度补偿的超声波测距系统设计”一文中，设计了一个超声波测距系统，它包含AT8951单片机，发射、接收电路，温度补偿电路及显示电路等5部分。对温度、距离衰减及时间差测量进行补偿。实验结果证明该系统，稳定，精度较高，最大误差小于2cm。

2、国外超声波测距技术研究进展

国外在超声波测距领域起步较早，尤其在超声波测距精度方面做了大量的研究，其中在2012年第7期《Journal of Networks》发表的“The Optimized Pseudorandom Digital Modulation Excitation Sequences for Multichannel Ultrasonic Ranging system”一文中，提出了采用多通道超声波传感器随机数字调制激励序列，以避免串扰。充分利用了传感器的带宽来配置传感器的调制参数，它可以使八通道超声波测距系统协同工作，并无串扰，具有最大误差不超过4.1cm的精度。

在2013年第60卷《Ferroelectrics and Frequency Control》发表的“Time-of-flight measurement techniques for airborne ultrasonic ranging”一文中，对超声测距方法的不同技术和局限性进行了综述，重点对测量精度和可重复性进行了讨论。得出“简单的时域方法都与它们的频域等值相关”的结论。

三、超声波测距系统设计

㈠超声波测距原理

超声波是频率在20kHz以上的声波，属于机械波。超声波测距方法中，渡越时间检测法精度较高，电路实现较简单。

超声波换能器发射面浸入介质1，驱动电路驱动超声波换能器向介质1发射超声波并开始计时，当遇到与介质1物理特性差异明显的另一种介质(介质2)时，将产生较强的回波，该回波传到换能器，驱动其产生谐振并产生电信号，通过放大、滤波、比较后被测距电路捕获，停止计时。计算超声波往返所用时间t，测量待测点的声速v，即待测距离L。

超声波测距原理如图1所示。根据数学几何关系，测量距离L表示为L=Scosα，夹角α表示为α=arcsin(H/S)，超声波传播距离S表示为S=½vt，由此推出L=½vtcos[arcsin(H/S)]。当测量距离L远大于H时，则可近似为L=½vt。

㈡系统设计

超声波测距系统主要包括主控模块、超声波发射模块、超声波接收模块、液晶显示模块、电源供电模块、标准挡板，总体方案如图2所示。

1、超声波发射模块

超声波液位测量使用收发一体式超声波换能器，选用43mm的小束角超声波传感器，中心频率为40kHz，波束角约为10°，测量范围为20～10000 mm。其发射电路如图3所示。单片机P1.1引脚通过软件编程产生每周期8个激励脉冲信号，控制三极管Q1的通断，由电源直接驱动变压器的初级线圈。在变压器副边线圈上，并联两个反向二极管D1和D2，防止超声回波信号经线圈与地形成回路，超声回波信号幅值为mV级，二极管导通电压为0.7V，因此回波信号只能进入接收模块。

2、超声波接收模块

①预处理电路

预处理电路对回波信号的放大电路如图4所示。电容C3和C4对信号进行简单滤波处理;二极管D3和D4将发射信号点位钳制在0.7V，mV级的回波信号不受影响进入后续电路;电阻R6用于调偏流，防止饱和失真;三极管Q2对信号功率放大后进入滤波放大电路。

②滤波放大电路

滤波放大电路如图5所示。放大电路采用二级放大器，其中，第一级放大电路必须有足够大的输入阻抗，因此采用高输入阻抗的运算放大器LM224;R9用于调节直流偏置电压;R12并联的可变电阻R10用于调试。第二级放大电路采用可编程增益放大器PGA112，可变增益为1、2、4、8、16、32、64、128，该芯片与单片机接口只需要连接片选信号、时钟信号和数据信号，通信方式为SPI总线方式。

回波信号含大量噪声信号，一部分是超声波换能器接收到空气中的杂波信号，主要是空气中低频噪声;一部分是电路的高频噪声，如电源、晶体管、运放等，因此设计带通滤波器。

③电压比较电路

滤波放大电路输出信号通过第一级LMV385进行电压跟随，由第二级LMV385进行电压比较，当输入电位高于设定电位值时，输出低电平，该电平作为单片机外部触发信号产生中断，结束计时。电压比较电路如图6所示。

㈢误差分析

根据超声波测距公式可知，主要误差来自两个方面：声速测量误差、超声波信号传播时间误差。基于此，从以下两个方面对误差进行研究分析，并提出改进方法。

1、声速测量误差

实际空气并不是完全干燥的，而且，声速还受风速、压强等因素影响，因此测量结果存在误差。基于环境的不确定性，可以利用挡板实时测量当前声速，将影响因素都考虑在内，从而提高测量精度，且适应复杂环境。其挡板安装如图7所示。

原理是预先设定挡板到超声波换能器的固定距离，如设定1m，则换能器1、2同时发射超声波，换能器1发射的超声波遇挡板反射，换能器2发射的超声波遇水面反射，分别对挡板发射时间和水面反射时间进行测量，两个时间比值即换能器到达水面的距离。

2、超声信号传播时间误差

由于超声波换能器的机械惯性，其发射声波起振逐步由小到大，首波信号的幅值很小，且随距离变化而变化;另在反射面反射过程中，信号会损失一部分，因此用常规方法很难捕捉到回波前沿。本文提出通过多次增益变化判断第一回波前沿返回时间，思路如下：

①对信号设置1倍增益，检测信号传播时间t1;对信号设置2倍增益，检测信号传播时间t2。以此类推，每次增益为前一次的2倍，分别检测信号传播时间t3、t4、t5、t6、t7、t8;

②求相邻增益之间时间差值，即t12=t1-t2，…，t78=t7-t8;

③判断差值与换能器谐振周期的大小关系，从而确定第一回波前沿位置，即从t12开始若有2个连续差值小于谐振频率的一半，则这3个相邻传播时间都是检测到1个周期内，因此可以判断检测到第一回波前沿。判断依据是根据回波波形，除第一回波周期最大幅值远大于噪声幅值外，后续回波周期最大幅值不会远大于前一个周期。

㈣实验结果分析

为验证系统的测量精度，进行实验研究。实验时，环境温度为25℃，超声波换能器频率为40kHz，在2000mm范围内，水位检测数据与标准液位变化值作对比。

由于测量误差具有随机性，在程序设计时可让系统进行3次测量，并对3次测量结果求平均值来减小系统随机误差。测量数据如表1所示。

通过实验数据可知，超声波液位测距结果个别数据超出了4mm检测精度，但通过3次采集求平均值可以减小测量误差。最终，检测均值与标准液位值之间的差均小于4mm，实现了高精度测距，满足了工农业生产中的测量需求。

㈤结论

在全面分析超声波测距引起误差原因的基础上，提出了通过增加标准挡板提高超声波信号速度的测量精度，通过多次增益校正确定第一超声回波前沿，并设计了相应的硬件电路和软件程序，通过实验证实了该系统测距精度的改进。

在测量超声波传输时间过程中，超声波换能器的谐振频率、比较器的阈值、可编程增益放大器的增益级数以及每级之间的倍数是测量分辨率的3个重要因素。所述研究方法还有待于改进，例如标准测距的校正，即如何应对测量超声波换能器与挡板之间的距离不等于实际距离1m的情况。