超声波测距 意义

超声波测距 意义,第1张

一般认为,关于超声的研究最初起始于1876 年F1Galton 的气哨实验。当时Galton 在空气中产生的频率达300K Hz, 这是人类首次有效产生的高频声。而科学技术的发展往往与一些偶然的历史事件相联系。对超声的研究起到极大推动作用的是,1912 年豪华客轮Titanic号在首航中碰撞冰山后的沉没,这个当时震惊世界的悲剧促使科学家们提出用声学方法来预测冰山,在随后的第一次世界大战中,对超声的研究得以进一步的促进。
近些年来,随着超声技术研究的不断深入,再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点,超声的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。
而我国,关于超声的大规模研究始于1956年。迄今,在超声的各个领域都开展了研究和应用,其中有少数项目已接近或达到了国际水平。
中国测试技术研究所李茂山在《超声波测距原理及实践技术》中详细地阐述了超声波的测距原理,并给出了实现超声波测距的具体框图,并讨论了影响超声波测距精度的几种原因。在本文中,他并未提及超声波测距所需的一些具体电路,只是给出了测距一般所需的电路名称,没有提及各种电路间的匹配。
1998年,曼内斯德马泰克(秦皇岛)有限公司推出了一种数字式超声波位移测量仪,李忠杰在《数字式超声波位移测量仪的研究》一文中介绍了这种数字式超声波位移测量仪的结构,工作原理和功能,其数据处理借助于单板机,给出了程序框图,对仪表的各部分硬件电路做了较详细的说明,并列出了部分仪表的实测数据,并分析了误差产生的原因。在此文中,给出了超声波测距仪在对液压缸位移进行测量时与其它位移传感器的优势所在,并给出了单片机的程序框图。中国科学院上海声学实验室的王润田在《双频超声波测距》一文中提出了一种双频超声波测距的原理和方法,由于空气对超声波的吸收与超声波的平方成正比,因此,用来测距的超声波的频率不能很高,但另一方面频率越低,波长越长,测长的绝对误差就越大,测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾。王润田提出,为了在一个较长的范围内达到测距的精度,在测距时同时发射两个频率的超声波,频率较大的测较近的距离,频率较小的测较长的距离,这样在较大的范围内实现较高的测距精度。
随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用,测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。与其他测距方法相比较,超声测距具有下面的优点:
(1) 超声波对色彩和光照度不敏感,可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。
(2) 超声波对外界光线和电磁场不敏感,可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。
(3) 超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此,超声波作为一种测距识别手段,已越来越引起人们的重视。

对于第一个问题:
超声波测距,通常在10米以内,但也有个别厂家做到几十米甚至百米的。超声波测距有以下几个特点:1、频率越高,精度也越高,但检测距离越近(空气衰减增大);2、输出功率越高、灵敏度越高,检测距离也越远(虽然是废话,但我必须写上);3、通常检测角度小的,测距范围略远;4、以上因素所造成的影响加起来,可能没有被测物体带来的影响更大:例如一个刚性表面(例如钢板)和一根铁丝、或者在钢板表面铺满吸音绵、或者把钢板与探头法线夹角从垂直改为倾斜45度等等,这些因素所带来的影响最大的。这也许不太容易理解,如果把超声波比作可见光,那么刚性表面可以理解成镜子,要想让你发现距离很远的人,对方用镜子‘晃’你是最好不过的了。但如果把镜子罩上黑纸,或者把镜子倾斜45度所带来的影响,你我可想而知,超声波也一样。
第二个问题:
一个单片机上同时使用几个不同频率的超声波模块,这就是软件程序的问题,没有什么难度,大学生就可以做,我想你一定也没问题。关于测距模块,从20khz~400khz,测距范围从01m~30m这些都不难购到,技术也不是很难。问题是,你能找到这么多频率的探头么?虽然超声波探头的各种频率都有,但它是针对量程来划分的,同一个量程里,频率都很接近(例如3-10米测距基本都是40khz)。你要在同一个量程里找出4种不同频率来,恐怕是有难度的。当然你也可以用4种不同的频率来驱动同一种探头。可是,若4个频率中的某个频率与探头的中心频率差别大了(例如超过5%),会导致效率大幅减低,如果频率差别小了,识别、区分他们又有困难,例如对于一个40khz的探头,一般厂家规定的下限和上限也就是38khz~42khz,我们就算冒险用到37khz~43khz(从可靠性和稳定性考虑,我不赞成这么用),你需要区分37khz、39khz、41khz、43khz四种频率的反馈信号,如此以来,常规的测距电路是不能用了,你需要研究一种全新的测距方案来识别他们,而且不能影响正常的计时精度,我建议你参考一些微波雷达的技术。

对于第一个问题:
超声波测距,通常在10米以内,但也有个别厂家做到几十米甚至百米的。超声波测距有以下几个特点:1、频率越高,精度也越高,但检测距离越近(空气衰减增大);2、输出功率越高、灵敏度越高,检测距离也越远(虽然是废话,但我必须写上);3、通常检测角度小的,测距范围略远;4、以上因素所造成的影响加起来,可能没有被测物体带来的影响更大:例如一个刚性表面(例如钢板)和一根铁丝、或者在钢板表面铺满吸音绵、或者把钢板与探头法线夹角从垂直改为倾斜45度等等,这些因素所带来的影响最大的。这也许不太容易理解,如果把超声波比作可见光,那么刚性表面可以理解成镜子,要想让你发现距离很远的人,对方用镜子‘晃’你是最好不过的了。但如果把镜子罩上黑纸,或者把镜子倾斜45度所带来的影响,你我可想而知,超声波也一样。
第二个问题:
一个单片机上同时使用几个不同频率的超声波模块,这就是软件程序的问题,没有什么难度,大学生就可以做,我想你一定也没问题。关于测距模块,从20khz~400khz,测距范围从01m~30m这些都不难购到,技术也不是很难。问题是,你能找到这么多频率的探头么?虽然超声波探头的各种频率都有,但它是针对量程来划分的,同一个量程里,频率都很接近(例如3-10米测距基本都是40khz)。你要在同一个量程里找出4种不同频率来,恐怕是有难度的。当然你也可以用4种不同的频率来驱动同一种探头。可是,若4个频率中的某个频率与探头的中心频率差别大了(例如超过5%),会导致效率大幅减低,如果频率差别小了,识别、区分他们又有困难,例如对于一个40khz的探头,一般厂家规定的下限和上限也就是38khz~42khz,我们就算冒险用到37khz~43khz(从可靠性和稳定性考虑,我不赞成这么用),你需要区分37khz、39khz、41khz、43khz四种频率的反馈信号,如此以来,常规的测距电路是不能用了,你需要研究一种全新的测距方案来识别他们,而且不能影响正常的计时精度,我建议你参考一些微波雷达的技术。

可以,但不一定限制为超声波,也许在音频范围就可以。这东西还就得靠声波(含超声波)测量,其它的什么微波、红外、激光之类的全都不好使。精度在cm级恐怕不易做到,但dm感觉差不多。如果在下雨过后,地面水份较大,效果会更好,频率可更高、精度亦可更高。

一般最大不超过10米,最小测距在04米以上。
ps:超声波精度很低,常用超声波探头功率不大,测量范围在10米以内可以达到比较好的效果(加了改进算法之后,精度可以达到1cm的数量级;),但超声波有个不好的性质,就是测距过近时,发射和接收探头之间会有干扰,所以有个最小测距范围。
这些都是最基本的物理常识,如果你真得要做,恐怕得在物理上加把劲才行。

1 超声波发生器

为了研究和利用超声波,人们设计和制造了许多超声波发生器。一般来说,超声波发生器可以分为两类:一类是电产生超声波,另一类是机械产生超声波。电方法有压电、磁致伸缩、电等;机械方法有高尔通笛、水笛、气笛。它们产生的超声波的频率、功率、声波特性不同,所以它们的用途也不同。目前,比较常用的是压电式超声波发生器。

2 压电超声发生器原理

压电超声波发生器实际上是利用压电晶体的共振来工作。超声发生器内部结构有两个压电晶片和一个谐振板。当脉冲信号作用于压电晶片的两极,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将产生共振,并驱动谐振板振动,产生超声波。反之,如果两电极之间不加电压,当共振板接收到超声波时,就会压压电片振动,将机械能转化为电信号,从而成为超声波接收器。

3超声波测距原理

超声波发射器按一定方向发射超声波,并与发射时间同时计时。超声波在空气中传播,在途中遇到障碍物后立即返回。超声波接收器接收到反射波后立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s。根据计时器记录的时间t,可以计算出发射点到障碍物的距离s,即s=340t/2。这就是所谓的时差测距法。

超声波测距的原理是使用空气中超声波的传播速度是已知的,测量时间当声波遇到障碍物后反射传播,并计算实际距离的传送点障碍基于发射和接收之间的时间差异。由此可见,超声波测距原理与雷达测距原理是相同的。

测距公式表示为:L=C×T

式中,L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间值的一半)。

超声波测距主要用于倒车提醒、建筑工地、工业工地等场所的距离测量。目前距离测量范围虽然可以达到100米,但测量精度只能达到厘米量级。

超声波具有定向发射容易、方向性好、强度易于控制、不与被测物体直接接触等优点,是一种理想的液体高度测量方法。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度,但目前国内超声波测距专用集成电路只有厘米级的测量精度。

参考资料:

百度百科-超声波测距

超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,所以经常用超声波来测量距离,如测距仪和物体测量仪,超声波测距仪装置上有设置瞄点装置,只要把仪器对准要测量的目标,就会出现一点在测距仪的显示屏幕上,主要是通过声速来测量的,肉眼看不见射出的线。
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。


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