一种大量程、高精度超声波测距法的研究

引言 超声波是指振动频率高于20kHz的机械波，超声波具有束射和反射特性，超声波在介质中可定向发射，方向性好、距离较远，其能量远远大于相同振幅的低频声波，且几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响，价格低廉、使用方便，广泛应用于非接触式测量领域，超声波测距仪就是利用超声波的这一特性实现对距离的测量[1]。目前，超声波测距技术已广泛地应用于机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域[2]。 目前用得较多的超声波测距法是单脉冲回波法，单脉冲回波法通常是通过单片机定时器测量发射脉http://www.ruishen.net/绕线电感生产加工冲和回波脉冲之间的时间差来确定目标的距离，其测距范围一般为0.25m~5m，测量精度一般为1%，该方法的特点是实现较为方便、电路简单、成本低，但由于工作于单脉冲方式，测距范围有限，而且系统抗干扰能力差，易受到外界环境影响[3]。同时由于信号起伏、温度对声速的影响等原因，其测距精度和重复性受到很大的限制。这些直接影响到了超声波测距系统在一些测量范差模电感围和精度要求较高的场合的应用，使其应用推广受到了较大的制约。因此对大量程、高精度的超声波测距系统的研究具有较大的现实意义[4]。 本文提出了一种基于时间渡越法的双频脉冲回波法超声波测距的方法：用高频的超声波测量较近的范围，用低频的超声波测量较远的范围，确保系统具有较大的测距量程，同时，通过时间增益补偿、温度补偿等技术大幅提高测距精度，最后选用高速率的DSP处理芯片、高速率高精度的ADC模数转换芯片，以大大的减少了由硬件延迟造成的误差影响。 一、测距原理 超声波测距仪测距的基本原理是测量超声波在空气中的传播时间，最常用的方法是时间渡越法：由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离[5]，该方式的基本电路框图如下图所示：

图1 超声波测距基本原理框图

通过超声频率脉冲激励超声波探头，使之向外界辐射超声波，并接收从被测物体反射回来的超声波回波，根据脉冲发射时间和接收到回波的时间差t，即超声波在空气中传播的时间代入下式：S=1/2·ct

计算出距离S，式中参数c是超声波在空气中传播的速度[6]。

从上式可以看出影响超声波测距结果的是c、t。超声波的传播速度c取决于传播媒质的特性，传播媒质的温度、压力、密度对声速都将产生直接的影响，对于测距而言，引起声速变化的主要原因是媒质温度的变化；而提高回波时间t的精度关键是准确检测到第一回波脉冲到达的时间[7]。

二、方案设计

本方案由超声波发射器、接收器、发射电路、回波接收电路、主控电路等部分组成，主控电路是以贴片电感器高精度DSP为核心的信号处理芯片，通过采用双频发射双通道接收、时间增益补偿、温度补偿等关键技术，实现大量程、高精度的距离检测。系统结构组成如图2所示：

图2 总体结构图

（1）双频发射双通道接收

系统采用具有高低两种谐振频率：fH和fL的超声波发射器和接收器。其中，高频的fH波长较短，绝对测量精度高，而空气对它的吸收大，用于近距离；低频的fL波长较长，绝对测量精度低，而空气对它的吸收小，用于远距离[8]。在接收端，通过两个带通滤波器分别将回波信号中的fH和fL隔离到不同的通道，然后通过高速ADC分别采样。

（2）时间增益补偿（TGC）

对同一频率的信号，由于回波信号的幅值随着被测距离的增大而呈指数规律衰减，超声波在空气中传播时，在不同距离上的回波脉冲幅度，由于其声程不同，造成的吸收程度也不同，使回波脉冲幅度的差异很大，回波到达时间产生不确定性，导致测量误差产生[9]。针对这一问题，本系统采用时间增益补偿技术对衰减的回波进行增益补偿，从而使接收器接收的信号保持不变。如下图所示：