田文成,，周西峰,，郭前崗

　　（南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

　　摘要：針對第一個超聲回波前沿難以捕捉,，提出了增益可編程的回波信號檢測方法,，進(jìn)行多次增益校正，使得比較器能捕捉到首個回波前沿,。針對測量超聲波波速的補(bǔ)償方法單一,，提出了標(biāo)準(zhǔn)擋板，分別測量固定距離的傳播時間和待測距離的傳播時間,，通過兩者之比得出待測距離,。實驗結(jié)果表明，所提出的改進(jìn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)惡劣環(huán)境下的高精度測距,。

　　關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)擋板,；增益可編程；超聲波測距

0引言

　　隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,，非接觸式檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用在多個領(lǐng)域［12］,。超聲波因其定向發(fā)射、指向性好,、抗干擾能力較強(qiáng),、結(jié)構(gòu)簡單、安裝和維護(hù)方便,、成本較低,、易于實現(xiàn)等特點，再結(jié)合微電子技術(shù)實現(xiàn)的距離測量系統(tǒng),，具有處理簡單,、速度快等優(yōu)勢［3］。

　　本文提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)擋板的增益可變超聲回波信號前沿檢測方法,，使超聲波在空氣中的傳播速度精確計算,，并且使比較器捕捉到第一個超聲回波信號前沿來提高行程時間精度，從而提高測距精度,。

1超聲波測距原理

　　超聲波是頻率在20 kHz以上的聲波,，屬于機(jī)械波［45］。超聲波測距方法中,，渡越時間檢測法精度較高,，電路實現(xiàn)較簡單，故本文采用此方法［6］,。

　　超聲波換能器發(fā)射面浸入介質(zhì)1,，驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波換能器向介質(zhì)1發(fā)射超聲波并開始計時，當(dāng)遇到與介質(zhì)1物理特性差異明顯的另一種介質(zhì)（介質(zhì)2）時,，將產(chǎn)生較強(qiáng)的回波,，該回波傳到換能器,，驅(qū)動其產(chǎn)生諧振并產(chǎn)生電信號，通過放大,、濾波,、比較后被測距電路捕獲，停止計時,。計算超聲波往返所用時間t,，測量待測點的聲速v，即待測距離L［7］,。

　　超聲波測距原理如圖1所示,。根據(jù)數(shù)學(xué)幾何關(guān)系,，測量距離L表示為L=Scosα,，夾角α表示為α=arcsinHS，超聲波傳播距離S表示為S=12vt,，由此推出L=12vtcos(arcsinHS),。當(dāng)測量距離L遠(yuǎn)大于H時，則可近似為L=12vt,。

2系統(tǒng)設(shè)計

　　超聲波測距系統(tǒng)主要包括主控模塊,、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊,、液晶顯示模塊,、電源供電模塊、標(biāo)準(zhǔn)擋板,，總體方案如圖2所示,。

     2.1超聲波發(fā)射模塊

　　超聲波液位測量使用收發(fā)一體式超聲波換能器，選用43 mm的小束角超聲波傳感器,，中心頻率為40 kHz,，波束角約為10°，測量范圍為20~10 000 mm,。其發(fā)射電路如圖3所示,。單片機(jī)P11引腳通過軟件編程產(chǎn)生每周期8個激勵脈沖信號，控制三極管Q1的通斷,，由電源直接驅(qū)動變壓器的初級線圈,。在變壓器副邊線圈上，并聯(lián)兩個反向二極管D1和D2,，防止超聲回波信號經(jīng)線圈與地形成回路,，超聲回波信號幅值為mV級，二極管導(dǎo)通電壓為07 V,，因此回波信號只能進(jìn)入接收模塊,。

　　2.2超聲波接收模塊

　　2.2.1預(yù)處理電路

　　預(yù)處理電路對回波信號的放大電路如圖4所示,。電容C3和C4對信號進(jìn)行簡單濾波處理；二極管D3和D4將發(fā)射信號點位鉗制在07 V,，mV級的回波信號不受影響進(jìn)入后續(xù)電路,；電阻R6用于調(diào)偏流，防止飽和失真,；三極管Q2對信號功率放大后進(jìn)入濾波放大電路,。

　　2.2.2濾波放大電路

　　濾波放大電路如圖5所示。放大電路采用二級放大器,，其中,，第一級放大電路必須有足夠大的輸入阻抗，因此采用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器LM224,；R9用于調(diào)節(jié)直流偏置電壓,；R12并聯(lián)的可變電阻R10用于調(diào)試。第二級放大電路采用可編程增益放大器PGA112,，可變增益為1,、2、4,、8,、16、32,、64,、128，該芯片與單片機(jī)接口只需要連接片選信號,、時鐘信號和數(shù)據(jù)信號,，通信方式為SPI總線方式。

　　回波信號含大量噪聲信號,，一部分是超聲波換能器接收到空氣中的雜波信號,，主要是空氣中低頻噪聲；一部分是電路的高頻噪聲,，如電源,、晶體管、運(yùn)放等,，因此設(shè)計帶通濾波器,。

　　2.2.3電壓比較電路

　　濾波放大電路輸出信號通過第一級LMV385進(jìn)行電壓跟隨，由第二級LMV385進(jìn)行電壓比較,，當(dāng)輸入電位高于設(shè)定電位值時,，輸出低電平，該電平作為單片機(jī)外部觸發(fā)信號產(chǎn)生中斷,，結(jié)束計時,。電壓比較電路如圖6所示,。

3誤差分析

　　根據(jù)超聲波測距公式可知，主要誤差來自兩個方面：聲速測量誤差,、超聲波信號傳播時間誤差,。基于此,，從以下兩個方面對誤差進(jìn)行研究分析,，并提出改進(jìn)方法。

　　3.1聲速測量誤差

　　參考文獻(xiàn)［8］提出了溫度,、濕度雙補(bǔ)償方法,，筆者認(rèn)為實際空氣并不是完全干燥的，對空氣平均摩爾質(zhì)量和比熱比值進(jìn)行修正,，上述方法雖然考慮了溫度和濕度對聲速的影響,，但實際環(huán)境條件下，聲速還受風(fēng)速,、壓強(qiáng)等因素影響,，因此測量結(jié)果仍存在誤差,?；诃h(huán)境的不確定性，本文提出利用擋板實時測量當(dāng)前聲速,，將影響因素都考慮在內(nèi),，從而提高測量精度，且適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境,。其擋板安裝如圖7所示,。

　　原理是預(yù)先設(shè)定擋板到超聲波換能器的固定距離，如設(shè)定1 m,，則換能器1,、2同時發(fā)射超聲波，換能器1發(fā)射的超聲波遇擋板反射,，換能器2發(fā)射的超聲波遇水面反射,，分別對擋板發(fā)射時間和水面反射時間進(jìn)行測量，兩個時間比值即換能器到達(dá)水面的距離,。

　　3.2超聲信號傳播時間誤差

　　由于超聲波換能器的機(jī)械慣性,，其發(fā)射聲波起振逐步由小到大，首波信號的幅值很小,，且隨距離變化而變化,；另在反射面反射過程中，信號會損失一部分,，因此用常規(guī)方法很難捕捉到回波前沿,。本文提出通過多次增益變化判斷第一回波前沿返回時間,，思路如下：

　　（1）對信號設(shè)置1倍增益,，檢測信號傳播時間t1,；對信號設(shè)置2倍增益，檢測信號傳播時間t2,。以此類推,，每次增益為前一次的2倍，分別檢測信號傳播時間t3,、t4,、t5、t6,、t7,、t8；

　?。?）求相鄰增益之間時間差值,，即t12=t1-t2，…,，t78=t7-t8,；

　　（3）判斷差值與換能器諧振周期的大小關(guān)系,，從而確定第一回波前沿位置,，即從t12開始若有2個連續(xù)差值小于諧振頻率的一半，則這3個相鄰傳播時間都是檢測到1個周期內(nèi),，因此可以判斷檢測到第一回波前沿,。判斷依據(jù)是根據(jù)回波波形，除第一回波周期最大幅值遠(yuǎn)大于噪聲幅值外,，后續(xù)回波周期最大幅值不會遠(yuǎn)大于前一個周期,。此依據(jù)是經(jīng)驗總結(jié)，理論研究尚未成熟,。

4實驗結(jié)果分析

　　為驗證系統(tǒng)的測量精度,，進(jìn)行實驗研究。實驗時,，環(huán)境溫度為25℃,，超聲波換能器頻率為40 kHz，在2 000 mm范圍內(nèi),，水位檢測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)液位變化值作對比,。

　　由于測量誤差具有隨機(jī)性，在程序設(shè)計時可讓系統(tǒng)進(jìn)行3次測量,，并對3次測量結(jié)果求平均值來減小系統(tǒng)隨機(jī)誤差,。測量數(shù)據(jù)如表1所示,。

　　通過實驗數(shù)據(jù)可知，超聲波液位測距結(jié)果個別數(shù)據(jù)超出了4 mm檢測精度,，但通過3次采集求平均值可以減小測量誤差,。最終，檢測均值與標(biāo)準(zhǔn)液位值之間的差均小于4 mm,，實現(xiàn)了高精度測距,，滿足了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的測量需求。

　　5結(jié)論

　　在全面分析超聲波測距引起誤差原因的基礎(chǔ)上,，提出了通過增加標(biāo)準(zhǔn)擋板提高超聲波信號速度的測量精度,，通過多次增益校正確定第一超聲回波前沿，并設(shè)計了相應(yīng)的硬件電實際距離路和軟件程序,，通過實驗證實了該系統(tǒng)測距精度的改進(jìn),。

　　在測量超聲波傳輸時間過程中，超聲波換能器的諧振頻率,、比較器的閾值,、可編程增益放大器的增益級數(shù)以及每級之間的倍數(shù)是測量分辨率的3個重要因素。所述研究方法還有待于改進(jìn),，例如標(biāo)準(zhǔn)測距的校正,，即如何應(yīng)對測量超聲波換能器與擋板之間的距離不等于實際距離1 m的情況。

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