田文成，周西峰，郭前崗

　?。暇┼]電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

　　摘要：針對第一個(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(shí)間和待測距離的傳播時(shí)間，通過兩者之比得出待測距離。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(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(hào)前沿檢測方法，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(shí)間檢測法精度較高，電路實(shí)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(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，測量待測點(diǎn)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(shí)，則可近似為L=12vt。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(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。

　　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(hào)的放大電路如圖4所示。電容C3和C4對信號(hào)進(jìn)行簡單濾波處理；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對信號(hào)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(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(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。

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(gè)方面：聲速測量誤差、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(shí)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(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(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，分別對擋板發(fā)射時(shí)間和水面反射時(shí)間進(jìn)行測量，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：

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

　　（2）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)間都是檢測到1個(gè)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(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(jì)時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，超聲波液位測距結(jié)果個(gè)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(shí)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(hào)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(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)測距精度的改進(jìn)。

　　在測量超聲波傳輸時(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(shí)際距離1 m的情況。

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