《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種改進(jìn)的超聲波測(cè)距方法研究
2016年微型機(jī)與應(yīng)用第2期
田文成,,周西峰,郭前崗
(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,,江蘇 南京 210023)
摘要: 針對(duì)第一個(gè)超聲回波前沿難以捕捉,,提出了增益可編程的回波信號(hào)檢測(cè)方法,,進(jìn)行多次增益校正,使得比較器能捕捉到首個(gè)回波前沿,。針對(duì)測(cè)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(cè)量固定距離的傳播時(shí)間和待測(cè)距離的傳播時(shí)間,,通過兩者之比得出待測(cè)距離,。實(shí)驗(yàn)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(cè)距。
Abstract:
Key words :

  田文成,,周西峰,,郭前崗

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

  摘要:針對(duì)第一個(gè)超聲回波前沿難以捕捉,,提出了增益可編程的回波信號(hào)檢測(cè)方法,進(jìn)行多次增益校正,,使得比較器能捕捉到首個(gè)回波前沿,。針對(duì)測(cè)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(cè)量固定距離的傳播時(shí)間和待測(cè)距離的傳播時(shí)間,,通過兩者之比得出待測(cè)距離。實(shí)驗(yàn)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(cè)距,。

  關(guān)鍵詞:標(biāo)準(zhǔn)擋板;增益可編程,;超聲波測(cè)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(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在多個(gè)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(jiǎn)單,、安裝和維護(hù)方便、成本較低,、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),,再結(jié)合微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的距離測(cè)量系統(tǒng),具有處理簡(jiǎn)單,、速度快等優(yōu)勢(shì)[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(hào)前沿檢測(cè)方法,使超聲波在空氣中的傳播速度精確計(jì)算,,并且使比較器捕捉到第一個(gè)超聲回波信號(hào)前沿來提高行程時(shí)間精度,,從而提高測(cè)距精度。

1超聲波測(cè)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(cè)距方法中,渡越時(shí)間檢測(cè)法精度較高,,電路實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)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(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器向介質(zhì)1發(fā)射超聲波并開始計(jì)時(shí),,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(shí),,將產(chǎn)生較強(qiáng)的回波,該回波傳到換能器,,驅(qū)動(dòng)其產(chǎn)生諧振并產(chǎn)生電信號(hào),,通過放大、濾波,、比較后被測(cè)距電路捕獲,,停止計(jì)時(shí)。計(jì)算超聲波往返所用時(shí)間t,,測(cè)量待測(cè)點(diǎn)的聲速v,,即待測(cè)距離L[7]。

  超聲波測(cè)距原理如圖1所示,。根據(jù)數(shù)學(xué)幾何關(guān)系,,測(cè)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(cè)量距離L遠(yuǎn)大于H時(shí),,則可近似為L=12vt,。

  

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2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  超聲波測(cè)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。

 

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     2.1超聲波發(fā)射模塊

  超聲波液位測(cè)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(cè)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(gè)激勵(lì)脈沖信號(hào),,控制三極管Q1的通斷,,由電源直接驅(qū)動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈。在變壓器副邊線圈上,,并聯(lián)兩個(gè)反向二極管D1和D2,,防止超聲回波信號(hào)經(jīng)線圈與地形成回路,,超聲回波信號(hào)幅值為mV級(jí),二極管導(dǎo)通電壓為07 V,,因此回波信號(hào)只能進(jìn)入接收模塊,。

  

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  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(duì)回波信號(hào)的放大電路如圖4所示。電容C3和C4對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波處理,;二極管D3和D4將發(fā)射信號(hào)點(diǎn)位鉗制在07 V,,mV級(jí)的回波信號(hào)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(duì)信號(hào)功率放大后進(jìn)入濾波放大電路。

 

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  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(jí)放大器,,其中,第一級(jí)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(jí)放大電路采用可編程增益放大器PGA112,,可變?cè)鲆鏋?、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(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào),,通信方式為SPI總線方式,。

  回波信號(hào)含大量噪聲信號(hào),一部分是超聲波換能器接收到空氣中的雜波信號(hào),,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(jì)帶通濾波器,。

  2.2.3電壓比較電路

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

  

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3誤差分析

  根據(jù)超聲波測(cè)距公式可知,,主要誤差來自兩個(gè)方面:聲速測(cè)量誤差、超聲波信號(hào)傳播時(shí)間誤差,?;诖耍瑥囊韵聝蓚€(gè)方面對(duì)誤差進(jìn)行研究分析,,并提出改進(jìn)方法,。

  3.1聲速測(cè)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(shí)際空氣并不是完全干燥的,,對(duì)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(duì)聲速的影響,,但實(shí)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(cè)量結(jié)果仍存在誤差,。基于環(huán)境的不確定性,,本文提出利用擋板實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前聲速,,將影響因素都考慮在內(nèi),從而提高測(cè)量精度,,且適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境,。其擋板安裝如圖7所示。

 

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  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(shí)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(duì)擋板發(fā)射時(shí)間和水面反射時(shí)間進(jìn)行測(cè)量,,兩個(gè)時(shí)間比值即換能器到達(dá)水面的距離,。

  3.2超聲信號(hào)傳播時(shí)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(hào)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(hào)會(huì)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(shí)間,思路如下:

 ?。?)對(duì)信號(hào)設(shè)置1倍增益,,檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間t1;對(duì)信號(hào)設(shè)置2倍增益,,檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間t2,。以此類推,每次增益為前一次的2倍,,分別檢測(cè)信號(hào)傳播時(shí)間t3,、t4、t5,、t6,、t7、t8,;

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

 ?。?)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(gè)連續(xù)差值小于諧振頻率的一半,,則這3個(gè)相鄰傳播時(shí)間都是檢測(cè)到1個(gè)周期內(nèi),,因此可以判斷檢測(cè)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(huì)遠(yuǎn)大于前一個(gè)周期,。此依據(jù)是經(jīng)驗(yàn)總結(jié),,理論研究尚未成熟。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

  為驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度,,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,。實(shí)驗(yàn)時(shí),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(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)液位變化值作對(duì)比。

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

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

  5結(jié)論

  在全面分析超聲波測(cè)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(hào)速度的測(cè)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(jì)了相應(yīng)的硬件電實(shí)際距離路和軟件程序,通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該系統(tǒng)測(cè)距精度的改進(jìn),。

  在測(cè)量超聲波傳輸時(shí)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(jí)數(shù)以及每級(jí)之間的倍數(shù)是測(cè)量分辨率的3個(gè)重要因素,。所述研究方法還有待于改進(jìn),例如標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距的校正,,即如何應(yīng)對(duì)測(cè)量超聲波換能器與擋板之間的距離不等于實(shí)際距離1 m的情況,。

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