超声波测距原理分析

　    压电式超声波发生器原理

　　压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

　　超声波测距原理

　　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。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

　　测距的公式表示为：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为发射到接收时间数值的一半)。

　　超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

　　由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

　　超声波测距误差分析

　　根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

　　时间误差

　　当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。

　　在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

　　超声波传播速度误差

　　超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。

　　已知超声波速度与温度的关系如下：

　　式中： r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，

　　R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，

　　M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，

　　T —绝对温度，273K+T℃。

　　近似公式为：C=C0+0.607×T℃

　　式中：C0为零度时的声波速度332m/s;

　　T为实际温度(℃)。

　　对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。

　　使用注意事项：

　　1.由于超声波受环境和气候条件影响较大，在使用时最好选在天气比较晴朗的时候。

　　2. 超声波测距仪是根据仪器发射和接收被测物体反射波时间的原理来计算距离的，所以使用时请注意在所测距离的空间内尽量不要有其他物体，否则会造成多重反射而影响测量准确度。

　　3.由于超声波的波角比较大，因此在测量时请注意在仪器前端周围不要有物体(比如桌面等)。放在固定位置测量时，要将仪器的前端凸出于放置物体的表面(比如凸出于桌面外一点)。

　　4.测量时请保持仪器和被测距离的物体表面间成直角状态，并尽可能使仪器本身保持水平或垂直的形态。

　　5.夏天使用 超声波测距仪时，如果是手持测量，最好在手上拿的时间不要过久，以免造成仪器过热而影响正常工作。