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摘 要： 本文分析了温度对超声波声速的影响，超声波回波检测对超声波传播时间的影响，超声传感器所加脉冲电压对测试精度的影响。在此基础上，设计了应用于汽车和货车等车辆的车载超声测距仪。实验结果表明，注意以上三方面的因素能够提高超声测距精度。 引言 超声波测距由于其在使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。 从原理上讲，超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间ts，在已知超声波声速Cs的前提下，可计算被测物的距离D，即： (1) 由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。 本文从引起超声测距误差的原因入手，分析了温度对超声波声速的影响；回波检测对时间测量的影响和超声传感器所加电压对测量精度和范围的影响。在此基础上，开发出以89C52单片机为核心，采用40KHz压电超声传感器，应用于长大汽车和货车等车辆倒车检测的车载超声测距仪。 超声测距误差因素分析 温度对超声声速的影响 空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响，即： (2) 其中B为气体的弹性模量，r为气体的密度。 气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得： B=g·r (3) 其中g为定压热容与定容热容的比值，空气为1.40，P为气体的压强。 气体的压强为： (4) 其中R为普适常量 8.314kg/mol，T为气体温度K(绝对温度)，M为气体分子量，空气为28.8×10-3 kg/mol。所以 (5) 由(5)可知，超声声速与空气的温度有密切关系。例如：20℃时， T=293.15， CS=344.2 m/s；40℃时， T=313.15，CS=355.8 m/s；-20℃时, T＝253.15，CS=319.9 m/s； 从上面的计算可以看出，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。 回波检测对时间测量的影响 超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。其衰减遵循指数规律。 设在距离超声接收器x处有被测物，则空气中传播的超声波波动方程描述为： (6) 其中A为超声传感器接收的振幅；A0为超声传感器初始振幅；α为衰减系数；x 为超声波传播距离； w角频率；k为波数。 衰减系数。其中b为空气介质常数，f为超声波频率。由此可见，超声波频率越高，其衰减越快。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。 由于超声回波随距离的增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大放大倍数(万倍级)和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。 超声传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响 制作超声传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声测距常用压电材料传感器，例如TR40压电超声传感器。 超声传感器外加脉冲电压的幅值会影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E的关系为： S=d·E (7) 其中d为应变电场常数。 超声传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。这些会直接影响超声波的回波幅值。所以，为提高压电转换效率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。 系统设计 针对温度、回波和所加脉冲电压对超声测距精度的影响，在设计汽车和货车等车辆倒车检测的车载超声测距仪时，从硬件和软件两方面综合考虑，设置了发射、接收、温度测量和显示报警四部分构成了超声测距仪的系统结构。整个装置的中心控制和信号处理单元为单片机89C52，超声传感器采用TR40(40 kHz)收发一体超声传感器。 发射电路 发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。脉冲产生电路的主要任务是产生40KHz脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路，由单片机P1.1口控制其是否工作。其电路图如图1所示。选择不同阻值的电阻，使R3>>R1+R2，并调节R2产生的脉冲频率为： (8) 根据公式(7)选择C1的大小，然后再选择R1、R2、 R3的大小。 发射电路主要任务是提高脉冲电压的幅值，它主要由脉冲变压器和开关管构成。脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声传感器。其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围，应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。 接收电路 接收电路的主要任务是检测回波，并向单片机发出中断以停止计时。接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为单片机系统能够接收的信号并向单片机申请中断以停止计时。接收电路的主体是滤波放大电路。 由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，S/N较小，所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电路。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。其电路如图2所示。 图2中，R11、R12、C13、C14、R15和运算放大器Amp1A组成了一级滤波放大电路；R21、R22、C23、C24、R25和运算放大器Amp1B组成了二级滤波放大电路。 温度测量电路 由于声速和温度有关，为了提高测量精确度，设置了温度测量电路。温度传感器可以采用AD590，AD590输出为电流信号，经电流电压变换电路变成电压信号；经压频转换器将电压信号变换成频率信号，输出到单片机的计数器中。AD590测温电路如图3所示。 软件设计 超声测距仪软件控制着系统的工作，其流程如图4所示。 实验结果 在完成系统设计和制作装置后，进行了试验，在实验室中测试数据如表1所示。由表中的数据可见，超声测距仪在20~5000mm之间误差范围在3.5%以内，在5000~7500mm之间，误差有所增加。整个7m测量范围内误差在5%以内。 结语 使用脉冲回波法测量距离，在考虑温度对声速度的影响、回波检测对超声传播时间的影响以及超声传感器所加电压对压电转换效率的影响时，超声测距精度可以提高。所以在制作超声测距装置时，应增加温度测量环节，设计高放大倍数和高Q值的滤波放大电路，并提高加在超声传感器上的电压幅值。 () | 
