8 传感器技术(JournalofTransducerTechnology) 2004年第23卷第6期
研究与探讨
超声波测距误差分析
苏 炜,龚壁建,潘 笑
1
2
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(1.武汉大学自动化系,湖北武汉,430070;2.长江科学院,湖北武汉430011)
摘 要:介绍了超声波测距的原理以及环境对测量准确度的影响,分析了测量误差产生的原因。阐述了仪器设计时超声波传感器的选择、计数频率的确定及盲区对测量的影响,指出了提高测量准确度的途径,重点阐述了利用软件修正误差的方法,使仪器达到了设计指标,满足了工业测量的实际需要。关键词:超声波;传感器;测距;误差;信噪比;盲区
中图分类号:TP212.9 文献标识码:B 文章编号:1000-9787(2004)06-0008-04
Erroranalysisofmeasuringdistancewithultrasonic
SUWei1,GONGB-ijian2,PANXiao1
(1.DeptofAutomation,WuhanUniversity,Wuhan430070,China;
2.ChangjiangScientificAcademy,Wuhan430011,China)
Abstract:Theprincipleofmeasuringdistancewithultrasonic,andtheinfluenceofenvironmentsonthemeasuringaccuracyareintroduced.Thereasonofmeasureinerrorisanalyzed.Wheninstrumentisdesigned,theselectionofultrasonicsensor,theascertainmentoffrequencycountandtheinfluenceofblindareaonmeasurementareexpounded,theapproachofimprovingmeasuringaccuracyispointedout,themethodofcorrectingerrorwithsoftwareisexpoundedemphatically.Designaimsareachieved,measuringdemandsonindustryaresatisfied.Keywords:ultrasonic;sensor;measuringdistance;error;signalnoiseratio;blindarea
0 前 言
随着自动测量和微机技术的发展,超声波测距的理论已经成熟,超声波测距的应用也非常广泛,目前,国内的测距仪器在测量准确度方面较国外有些差距。本文综述了超声波测距的原理及环境对测量准确度的影响,指出了在仪器设计时提高测量准确度的途径,重点阐述利用软件修正误差的方法。1 测量原理
声波是媒质中传播的质点的位置、压强和密度对相应静止值的扰动。高于2 104Hz时的机械波称为超声波,媒质包括气体、液体和固体。流体中的声波常称为压缩波或压强波,对一般流体媒质而言,声波是一种纵波,传播速度为
c=sqrt(E/ ),
2
3
减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关,m/s。测量后者可求得媒质中的损耗。声波的传播与媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产生折射、反
射、衍射等)有关。
利用声波反射原理,已知声速c,测量发射波与反射波的时间间隔t,可得到发射点与反射点的距离S为
S=c t/2.2 环境对测量的影响
从式(1)可知,声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关,因此,利用声速测量距离,就要考虑这些因素对声速影响。在气体中,压强、温度、湿度等因素会引起密度变化,气体中声速主要受密度影响,液体的深度、温度等因素会引起密度变化,固体中弹
(1)
性模量对声速影响较密度影响更大,一般超声波在固体中传播速度最快,液体次之,在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。声波扰动是机械的,声波在传播中带有机械能量,声能传播的
(2)
式中 E为媒质的弹性模量,kg/mm; 为媒质的密度,kg/mm;E为复数,其虚数部分代表损耗,;c也是复数,其实数部分代表传播速度,虚数部分则与衰
收稿日期:2003-12-26
第6期 苏 炜等:超声波测距误差分析 9
途中逐渐转变成热,从而出现随距离而逐渐衰减的现象,称为声吸收。声波的频率越高衰减得越厉害,传播距离也越短,在给定的频率下,衰减是湿度的函数。
2.1 声速受温度的影响
声速受温度的影响为c =c0sqrt(1+( /273)).增量图如图1和图2
所示。
(3)
根据式(3)测量的温度-声速图和温度-声速
3.1 超声发送和接收
超声传感器等效为1个电感器、2个电容器和1个电阻器串并联电路如图3所示。图中,左右两侧呈现容性,中间呈现感性,是一种典型高Q值晶体振子特性。在fS和fP处出现2个阻抗最低点,因此,有2个谐振峰。发送传感器在串联谐振峰有最高灵敏度,接收传感器在并联谐振峰有最高灵敏度。电路激励和接收频率要考虑在此谐振点工作,此外,由于通常需要大功率驱动,考虑用谐振升压推
动是必要的。
图1 空气中温度-声速图
Fig1 Diagramofsoundtemperature-velocityin
air
图3 超声波传感器等效电路和电抗特性图
Fig3 Characteristicdiagramsofultrasonicsensorequivalentcircuit
andreactance
超声波发送应考虑因素有:(1)量程范围;(2)目
图2 空气中温度-声速增量图
Fig2 Incrementdiagramofsoundtemperature-velocityinair
标距离和目标反射情况。超声波频率高对探测较小目标有利,文献[2]指出有效反射目标应大于至少10个波长以上,对于非垂直于发射波束的目标,大波束角的传感器通常可以获得更强的回波信号,而波束角越窄对于减小散射波的干扰越有利。3.2 回波测量的计时准确度
在室温下,空气中的声速是345m/s,考虑反射式
(4)
测量有2倍路程,则被测距离与测距时间关系为
d=t
2
也就是每计时1 s对应被测距离0.172mm,表1表示了几种计数频率对应的最小测距分辨力。
表1 计数频率-最小分辨力表
Tab1 Sheetoffrequencycoun-tleastresolution
计数频率(MHz)最小分辨力(mm)
10.1720
20.0690
50.0345
100.0172
由式(3)和图2可见,当温度 从0~40 变化时,将会产生7%的声速变化,因此,为了提高测量准确度,计算时必须根据温度进行声速修正。工业测量中,一般用公式计算超声波在空气中的传播速度,即
c =331+0.6 .
2.2 声波的衰减程度受湿度的影响
声波传播过程中,声压的幅度由于媒质中声吸收而衰减,声强随频率增高衰减增加,在给定的频率时衰减是湿度的函数。文献[1]指出:产生最大衰减时的湿度值视频率而不同,例如:频率大于125kHz时,最大衰减发生在湿度为100%RH处,而在频率40kHz时,最大衰减发生在湿度50%RH处。3 仪器电路的设计
10 传 感 器 技 术 第23卷
采用1MHz的计数频率测时,对应最小分辨力为0.1720mm。这种分辨力可以满足大多数工业测量场合。
3.3 回波信号放大与整形
接收传感器的感应信号通常是mV级,需要经过上百近千倍的增益放大,然后再整形。采用调谐放大器比直接放大器虽然复杂,但可以获得更高的信噪比。由于声波在传输过程中的吸收衰减和扩散损失,声强随目标距离增大而衰减,在量程范围内,最近目标和最远目标的回波幅度可能相差1个数量级。远目标回波信号幅度小、信噪比低,可能导致整形失败或者是越过门槛的时刻前后移动,这是影响大多数测距装置重复性和测量准确度的一个原因。以40kHz声波频率为例,采用1MHz计数频率,若越过门槛的时刻前后移动仅仅2个周期,就会产生50 s误差,相应测距误差为0.1720mm 50=8.6mm。放大器采用AGC自动增益控制是必须的,但仍然未能解决问题,因为AGC电路(包括放大器本身)对信号的阶跃响应有滞后,瞬时跟踪性不佳,而回波信号恰恰是爆发性的。这里提示出不应该对近程的强回波信号和远程的弱回波信号采用同一个门槛电压,恒定的门槛阈值相对强信号偏低,本可以被压制的噪声信号不能压制。而对弱信号而言,相对又太高,更容易被叠加的噪声信号误触发。本文作者采用的方法是专门产生一个随时间减小的阈值信号。3.4 盲 区
在一般测量场合下,盲区存在无关紧要,但是,在有些要求近距测量的特殊场合下可能成为重要因素,如水力学试验室内的水下地形测量等。盲区产生原因对于单换能器反射和双换能器反射分别不同,一般来说,双换能器有利于减小盲区。
单换能器产生盲区的主要原因是:由于电声换能器的电气阻尼振荡和机械阻尼振动共同作用下,产生余振阻尼衰减信号,在换能器由发射状态转入接收状态后,首先接收到的信号是这种余振信号,在此信号衰减到足够小的时间内,换能器接收到的回波信号与阻尼衰减信号叠加混淆,使电路鉴别不出真正的回波,如图4
。
图5 双传感器波形图
Fig5 Waveformchartofdoublesensor
图4 单传感器波形图
Fig4 Waveformchartofsinglesensor
当换能器安装不良时,在方波信号的高次谐波激励下,极易引发自激产生阻尼振荡,因此,电声换能器安装的固有机械振动频率应尽可能避开激励频率。
双换能器在发射波结束后,接收换能器接收到的第一个波是串扰直通波(也称泄漏波),它是近源的波束旁瓣或通过绕射由发射换能器直接达到接收换能器而造成的,如图5
所示。
改善的措施可以减少发射波串的长度,发射波频率增高,波长减小,可以减少绕射,还可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。
这些措施也都有一定限度,例如:发射波串的长度过短将使得发射换能器激振达不到最大值或不能被激振。发射波频率加高受到换能器特性限制,同时,发射波频率加高使超声波在媒介中的衰减大幅度加剧,使作用距离下降。4 误差修正算法
经过多次测量发现,在同一温度下测量结果有如下规律:(1)对于同一距离进行多次测量所测数据稳定性很好,1.5m范围内变化最大不超过0.7mm;(2)测量误差随着所测距离的增大而增大。
第6期 苏 炜等:超声波测距误差分析 11
经过多次实验,本文采集了20 时从40cm到150cm每隔2cm的距离的测量误差,即,40,42,44, ,148,150cm时的测量误差,共56个值,其中,每一个值都是多次测量所得的平均误差值。由这56个值组成了误差函数表。理论上讲,当采集的点足够多时,就可以根据逐点查表法达到非线性的完全修正,修正后误差尽可能小。但这样数据量会非常大。因此,本文在采集的这56组数据的基础上,采用分段线性插值法进行误差曲线函数表的数据再生,从而减少了数据的存储量。根据这些误差值绘出的测量误差曲线,如图6
所示。
由式(3)和式(5)可以得出
- 20=t1(c -c20)=0.6t1( -20).这样得出不同温度 时的误差修正值 = 20+0.6t1( -20)
-3
( 20-9) 10
,(7)= -20)20+0.6( 343
式中 20为20 时的误差修正值。根据20 时
的误差函数表和式(7),就可以对任意温度下任意距离(测量范围内)的结果进行修正,25 时,5组不同距离的误差数值如表2。
表2 误差数值表Tab2 Sheetoferrordata
实际距离(cm)40.262.587.6115.4148.1
40.562.187.4115.2148.6
40.462.587.9115.8148.8
测量距离(cm)40.062.487.2114.9147.8
40.762.987.2115.5148.3
40.663.187.5116.0148.8
最大误差(mm)0.50.60.40.60.7
图6 测量误差曲线Fig6 Measuringerrorcurve
从表2中看出:在1.5m范围内测量误差不超过1mm。5 结 论
由于在仪器设计时,根据量程范围、目标距离和目标反射情况以及特殊的测量场合,选择合适的超声波传感器;软件设计时,确定合适的计数频率并对回波信号在放大与整形后产生一个随时间减小的阈值信号,提高了测量准确度和重复性。而且利用软件进行误差修正,可以对任意温度下任意距离(测量
(5)
范围内)的结果进行修正,在1.5m范围内测量误差不超过1mm,达到了设计指标,满足了工业测量的实际需要。参考文献:
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[4] 赵负图.传感器集成电路手册[M].北京:化学工业出版社,
2002.324.
这里的误差包含两种:一种是固定误差 测量的起始位置与探头的压电晶片所在位置之间的距离,这种误差不随测量环境和距离的变化而变化;另一种是可变误差 随着距离的增大而增大,主要是由接收超声波越过整形门槛的时间与超声波实际到达探头的时间不同引起的。因此,在除温度以外其他环境因数相对稳定的情况下,测量误差可表示为
= 0+ 1 c ,
式中 为 时的总的测量误差; 0为固定误差(不随温度和距离而变化); 1为越过整形门槛与实际超声波到达的时间差;c 为超声波在温度 时的传播速度。由于温度对超声波的衰减影响不大,所以,在只有温度这一因数变化的情况下,对于同一距离不同温度而言,t1基本不变。因此,根据公式在不同温度下测量同一距离,分别测量多次,得出距离相对应的误差,就可以求出 0。本文求出 0=9mm。因此,可以根据20 的误差曲线和式(5)得出与距离对应的t1值为
t1=
20-920=.c20343m/s
(6)
作者简介:
苏 炜(1968-),男,湖北丹江口市人,1992年于湖北工学院毕业,现为在读硕士生,研究方向是检测技术与自动化装置。