超聲波測距精度怎么樣_超聲波測距誤差分析

超聲波測距精度怎么樣

超聲波測距精度：±（1cm+0.5%×距離），比較低一些。

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。

測距的公式表示為：L=C×T

式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差（T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半）。

超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。

超聲波測距誤差的分析及修正方法

1.超聲波傳播速度對測距的影響

穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件。波的傳播速度取決于傳播媒質的特性，傳播媒質的溫度、壓力、密度對聲速都將產生直接的影響。對于測距而言，引起聲速變化的主要原因是媒質溫度的變化，溫度變化是造成超聲波測距誤差的主要來源之一。因此在測距過程中，必須對超聲波速度進行修正，超聲波在空氣中傳播速度與溫度的關系可表示為c= 331.4×

1+t/273u33114+01607t（m/s），t為環(huán)境攝氏溫度。因此用常溫下的超聲波速度341m/s來計算不同溫度環(huán)境下的超聲測距的距離是有很大的誤差。為了提高測距精度，必須對超聲波的速度進行溫度補償，用溫度傳感等測溫器件測得環(huán)境溫度的數(shù)值，從而得到該環(huán)境下的超聲波速度。也可采用聲速預置和溫度補償相結合的方法對聲速進行修正，將更有效地降低因溫度變化而產生的誤差。

2.影響回波時間t測定的因素及減小誤差的方法

在測量過程中，為了防止其他信號的干擾，提高測量的可靠性，單片機開始計數(shù)時，超聲傳感器常常發(fā)射由多個方波組成的脈沖串（如5~9個脈沖為一串）作為測量的載體。若接收電路中的比較器的閾值電壓為一定值，由于粉塵及其它物質的影響，故實際測量時，不一定是第一個回波的過零觸發(fā)。通過對超聲波接收回波的觀察分析，發(fā)現(xiàn)接收回波經(jīng)包絡檢波后，其包絡線前沿為按指數(shù)規(guī)律上升的曲線，大約在第九個波到包絡線的峰頂，第三個波近似為峰頂?shù)?5%。故接收電路常設計為接收到第3個回波時，單片機停止計數(shù)。所以最終測得的時間比實際距離所對應的時間多出3脈沖發(fā)送時間，從而造成了回波時間t的測量誤差。

為了提高測時精度，必須準確地檢測到第一回波脈沖沿到達的時間。用固定閾值的單比較器檢測回波，由于聲波在傳輸過程中存在吸收衰減和擴散損失，聲強隨目標距離增大，而呈指數(shù)規(guī)律衰減，在量程范圍內，最近目標和最遠目標的回波幅度相差較大，可能導致越過門檻的時刻前后移動，從而影響計時的準確性。

解決這一問題的方法：方法一是采用雙比器整形電路，這能較準確地對回波前沿到來的時刻進行測定。如圖2所示，vm為峰值電壓，設v1為比較器1的門限電壓，v2為比較器2的門限電壓，（其中（v2》v1，其值由實驗設定），當超聲波傳感器發(fā)射超聲波時，單片機定時器t1和t0同時開始計時，當比較器1翻轉時，t0停止計時，此時t0所計的時間為t1，當較器2翻轉時，t1停止計時，此時t1所計時間為t2，顯然t2》t1，t是回波前沿所對應的傳播時間，則，用t計算距離比t1、t2精確度要高。

方法二是在回波接收電路中串入隨時間變化的自動增益控制電路（agc），使放大回路在接收時間內，電壓放大倍數(shù)隨測量距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加，以補償吸收衰減和擴散損失，使接收回波的幅值保持恒定或者僅在較小范圍內變化以滿足整形電路的要求，再經(jīng)過整形電路輸出，這可大幅度提高測距的精度。當然因agc電路（包括放大器本身），對信號的階躍響應有滯后現(xiàn)象，瞬時跟蹤性不一定很好，而回波信號恰恰是爆發(fā)性的，因而也存在一定的誤差，但這可忽略不計。

方法三是設計一個在測量時間內，隨時間增加閾值電壓逐漸減小的電路，產生一個隨時增加而按指數(shù)規(guī)律減小的閾值信號加到比較器上，這將補償因測量距離增加而造成回波幅度的減小，以提高測量的準確度和重復性。采用可編程放大器和數(shù)字電位器等器件，通過軟、硬件結合，可設計出多種這樣的電路。也可由運算放大器和場效應管結合構成受控放大器，場效應管作為壓控電阻，構成反饋調節(jié)回路。但這種電路的跟隨性不如上述數(shù)字電路。

3.超聲波波束對探測目標的入射角對測距的影響

如果系統(tǒng)是用來測量面與點的距離，當超聲波的入射角（或反射波入射到接收換能器的角度）不足90b時，系統(tǒng)測量到的距離是被測點（物）與換能器之間的距離s。而不是測量平面與被測物之間垂直距離d，這就會造成測量誤差。解決該問題的方法是利用三角形的有關知識進行計算修正。

4.盲區(qū)

在測距時，傳感器用一段時間發(fā)射一串超聲波來作為測量的載體，因此只有待發(fā)送結束后才能啟動接收，設發(fā)送波束的時間為t，則在t時間內從物體反射回的信號就無法捕捉。另外超聲波傳感器有一定的慣性，即有一個從受迫振動到平衡振動再到阻尼振動的過程，故發(fā)送結束后還有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產生電壓信號，這種電壓信號疊加到回波信號上，使電路鑒別不出真正的回波，從而擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號工作。因此在余振未消失以前，還不能啟動系統(tǒng)進行回波接收。以上兩個原因造成了超聲波傳感器具有一定的測量范圍，即存在所謂的盲區(qū)。

此外，引起測量誤差的還有很多，如指令運行需占用一定的時間，而使得測量的數(shù)據(jù)偏大，時基脈沖頻率的穩(wěn)定性與準確性，現(xiàn)場環(huán)境中其它物質干擾等。