超声波测距技术综述.doc

文献综述题 目 超声波测距技术综述 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 完成时间 2014 年06月01日 超声波测距技术综述摘 要我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点，同时它是一种非接触式的检测方式，不受光线、被测对象颜色等影响，因此经常被用于距离的测量。超声测距技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值，目前已应用于物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合。因此，深入研究超声波测距的理论与方法具有重要的实践意义。关键词 超声波 超声波测距 车辆导航 物位测量第 8 页1 引言1.1 超声波简介一般认为，关于超声的研究最初起始于1876年F1Galton 的气哨实验。当时Galton 在空气中产生的频率达300K Hz,这是人类首次有效产生的高频声。而科学技术的发展往往与一些偶然的历史事件相联系。对超声的研究起到极大推动作用的是,1912年豪华客轮Titanic号在首航中碰撞冰山后的沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家们提出用声学方法来预测冰山，在随后的第一次世界大战中，对超声的研究得以进一步的促进。近些年来，随着超声技术研究的不断深入，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。而我国，关于超声波的大规模研究始于1956年。迄今，在超声的各个领域都开展了研究与应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。1.2 超声波测距简介超声测距指的是利用超声波的反射特性进行距离测量，是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控与移动机器人的研制上，也可在潮湿高温，多尘等恶劣环境下工作。例如：液位、厚度、管道长度等场合。超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量，机器人视觉识别，倒车防撞雷达，海洋测量，物体识别等方面得到广泛的应用。超声波具有指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远的优点。与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩与电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境,可在潮湿高温，多尘等恶劣环境下工作，例如：液位、厚度、管道长度等场合。在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。由于声波在空气中传播速度远远小于光线与无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统。相比于其它定位技术而言，超声波定位技术成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠，非常适合于短距离测量定位。因而超声波测距器电路易实现、结构简单与造价低，而且以声速传播，便于检测与计算。1.3超声波测距的优缺点随着计算机技术、自动化技术与工业机器人的不断发展与广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距与超声测距4种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点： （1） 超声波对色彩与光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体。 （2）超声波对外界光线与电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。 （3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化与集成化。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大,由于测量距离的不同,造成回波信号的起伏,使回波到达时间的测量产生较大的误差;二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽,影响了测距的分辨率,尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素,诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响,这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用,如何解决这些问题,提高超声波测距的精度,具有较大的现实意义。相信将来随着科学技术的不断进步，超声波测距也会越来越完善。2 目前研究状况与发展趋势2.1 目前超声波测距的主要方法超声波测距适用于高精度的中长距离测量。目前测量距离一般都采用波在介质中的传播速度与时间关系进行测量。目前常见的测距原理与方法主要有脉冲回波法与相位差法两种。相位差法与脉冲回波法的不同表达在对回波的处理方式上，由超声波换能器接收端获得调制声波的回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。由于采用的是相位比较，使得测距精确度大大提高，但这种方法本身存在明显的缺陷。由于相位测量存在以2n为周期的多值解，从而容易造成解的不确定性。为了消除多解，常常需要引入包络检测与采用发射多种不同频率波的方式减小不确定度，这就使得该方法的实现复杂化。2.2 常见超声波测距系统设计方案2.2.1 利用分立模块的超声波测距仪系统一般由超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组控制模组及电源五部分组成。超声波测距模块主要由发射部分与接收部分组成，超声波的发射受主控制器控制，超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。显示模块是一个8位段数码显示的LCD；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供系统各部分电路使用。优点：具有历史数据存储功能、出错管理功能。缺点：能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高。2.2.2 基于单片机的超声波测距仪此类超声波测距仪主要以单片机为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，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=340×t/2，这就是常用的时差法测距。在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步；当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。双向超声波测距仪的系统主要有几下部分组成：LED显示模块，单片机（以AT89C51芯片为例），超声波发射模块，超声波接收模块，电源模块等五大模块组成。优点：双向测距，精度高，功耗低。在电路中我们采用PIC芯片它的优点是：精简指令使其执行效率大为提高；彻底的保密性；其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。2.3 未来发展趋势随着单片机在全球的普及，方案一因其测量盲区较长，结构复杂且稳定性不高等缺点逐渐被市场淘汰。而基于单片机的超声波测距已日趋成熟并成为市场的主流。但值得注意的是，由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关。超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增加，气温每上升1，声波速度增加0.6m/s，所以在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，如果测距精度要求很高，则应通过增加温度补偿的方法加以校正。3 结论通过查阅各种超声波测距的文献资料，我初步了解了超声波测距的基本原理与硬件模块。我发现基于单片机的带温度补偿的超声波测距是目前市场的主流，它能够满足大多数场合的所需要求。单片机因其体积小、质量轻、价格便宜、易于开发编程等优点使超声波测距更加简洁方便，设计中添加温度传感器对现场温度进行检测，并通过软件计算实现波速的温度补偿，消除了温度对测量结果的影响，使测量误差降低。此类型的超声波测距系统可广泛应用于各种需要测量距离或物位参数的场合。而我也通过前辈的文献资料，了解了此次毕业设计的关键问题，寻找到了问题的突破口。参考文献1李为民.基于stc89单片机的超声波测距仪N.陕西师范大学报,2000,20(1).2胡福云.基于单片机的超声波测距仪J.科技视野,2005,13(4):11-20.3袁德庆,肖圣,马晓燕.多通道超声波液体流量测控系统J.石油仪器,2005(10): 24-26.4阮成功,蓝兆辉,陈硕.基于单片机的超声波测距系统J.应用科技,2004,31(7):22-24.5莫树彬.湘江航道工程勘测方法综述J.湖南交通科技,1994,20(3):41-46.6曾德怀,谢存禧,张铁,黄瑞华.行走机器人的超声波测距系统的研究J.机械科学与技术,2004,23(5):613-616.7张鹏,张有志.一种新型超生测距系统N.山东:山东大学学报,2003,33(1).8韩枫,姚旺生,刘霞.超声波测距与阈值判断的PROTEL仿真J.舰船电子工程，2003（2）：59-61. 9李丽霞.单片机在超声波测距中的应用R.电子技术,2002(6):7-9.10姜道连,宁延一,袁世良.用AT89C2051设计超声波测距仪J.国外电子元器件,2000（12）.11马湛.非接触式水位测量技术在美国的发展J.水利水文自动化，1999（1）：49-53. 12权斌,徐红.水电厂水库水位、水深、泥沙监测系统J.工业仪表与自动化装置,1998(5):47-49.13V.Yu.Teplov,A.V.Anisimov.Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier EffectJ .2002.  14Yeager Brent.How to troubleshoot your electronic scaleJ.Powder and Bulk Engineering. 1995.  15陈大新,胡学同,周杏鹏.利用FPGA改进超声波测距模块设计J.传感器技术,2005,24(2): 57-59.