【正文】 “延遲接收，信號(hào)分離”的技術(shù)和相關(guān)計(jì)數(shù)法減小了計(jì)數(shù)誤差，對(duì)于聲速的測(cè)量誤差，使用溫度補(bǔ)償法，在軟件設(shè)計(jì)中采用了查表的方法，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償校正。文中的一些方法對(duì)于設(shè)計(jì)超聲波測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有一定的參考價(jià)值。聲速的測(cè)量在超聲波測(cè)距中對(duì)提高超聲波精度有重要的作用，超聲波在介質(zhì)中的傳 播速度與溫度、壓力等因素有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。中國(guó)海洋大學(xué)的曹玉華在《超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其在機(jī)器人模糊避障中的應(yīng)用》提出了采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒y(cè)量聲速，來(lái)提高超聲波測(cè)距精度。文中溫度檢測(cè)部分采用了美國(guó) DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，用以溫度補(bǔ)償以修正超聲波速度，來(lái)減小溫度變化對(duì)距離測(cè)量精度的影響。，測(cè)量誤差小于5cm。山東科技大學(xué)的王紅梅在《高分辨力超聲測(cè)距系統(tǒng)的研究》中研究了已有超聲波測(cè)距系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用超聲波多次發(fā)射，以多次測(cè)量的平均值作為測(cè)量值的方法提高超聲波測(cè)距精度，并使用了溫度補(bǔ)償聲速的方法進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精度。為了提高儀器的分辨力，還采用了若干方法來(lái)減小隨機(jī)誤差。本文所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量范圍1cm~10cm，%。 論文研究?jī)?nèi)容本論文的研究?jī)?nèi)容是近距離超聲測(cè)距系統(tǒng)，具體指標(biāo)如下：（1） 量程：～10m；（2） 電源：9VDC；（3） 聲道：2；（4） 超聲波頻率：40KHz；（5） 測(cè)量誤差：10cm；（6） 顯示方式：數(shù)碼管顯示。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 超聲波的衰減從理論上講，超聲波衰減主要有三個(gè)方面： （1）由聲速擴(kuò)展引起的衰減在聲波的傳播過(guò)程中，隨著傳播距離的增大，非平面聲波的聲速不斷擴(kuò)展增大，因此單位面積上的聲壓隨距離的增大而減弱，這種衰減稱為擴(kuò)散衰減。 （2）由散射引起的衰減 由于實(shí)際材料不可能是絕對(duì)均勻的，例如材料中外來(lái)雜質(zhì)金屬中的第二相析出、晶粒的任意取向等均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)材料聲特性阻抗不均，從而引起聲的散射。被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變成熱能，這種衰減稱為散射衰減。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，內(nèi)于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，從而使一部 分聲能轉(zhuǎn)變成熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，以及由于分子馳豫造成的吸收，這些都是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象，這種衰減稱為吸收衰減。擴(kuò)散衰減僅取決于波的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。對(duì)于大多數(shù)金屬和固體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，通常所說(shuō)的超聲波的衰減，即（衰減系數(shù)）表征的衰減僅包括散射衰減和吸收衰減而不包括擴(kuò)散衰減。因此，空氣介質(zhì)的衰減系數(shù)也由兩部分組成，可由下式表示： （） 式中：K：熱傳導(dǎo)系數(shù) ：動(dòng)力粘滯系數(shù) ：定容比熱 f:超聲波頻率 C：超聲波傳播速度 ?。憾▔罕葻??。簜鞑ソ橘|(zhì)密度 式()中第一項(xiàng)是由內(nèi)摩擦引起的衰減系數(shù)，第二項(xiàng)是由熱傳導(dǎo)引起的衰減系數(shù)，由于后者比前者小得多，故在忽略熱傳導(dǎo)引起的超聲波衰減的情況下，衰減系數(shù)可以由下式表示: ()把帶入式（）可得： 　　　　　　　 ()　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 由式（）可知：溫度一定時(shí)，、T均一定，衰減系數(shù)與頻率的平方成正比；頻率越高，衰減系數(shù)就越大，有效的傳播距離就越短。所以，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般選擇30~100KHz的超聲波進(jìn)行距離測(cè)量，40KHz是比較典型的超聲波發(fā)射頻率，所以本文采用40KHz的超聲波來(lái)測(cè)距。 超聲波的傳播速度由聲波產(chǎn)生的物理過(guò)程可知，聲速與質(zhì)點(diǎn)速度是完全不同的，聲波的傳播只是擾動(dòng)形式和能量的傳遞，并不把在各自平衡位置附近振動(dòng)的媒質(zhì)點(diǎn)傳走。某種介質(zhì)中的聲速主要取決于該介質(zhì)的密度和溫度。由于空氣沒(méi)有剪切彈性，只有體積彈性，因而氣體中聲波的傳播形式只能是縱波。也就是說(shuō)，在聲擾動(dòng)下，氣體介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在各自平衡位置附近運(yùn)動(dòng)，形成稠密和稀疏依次交替的傳遞過(guò)程，而且質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向與聲波傳播的方向一致。 聲波在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)不隨頻率發(fā)生變化，也就是說(shuō)超聲波的傳播速度與可聽(tīng)聲波的傳播速度是相同的，超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律與可聽(tīng)聲波并無(wú)質(zhì)的區(qū)別，與一般聲波相比，超聲波具有更好的定向性，并且可以穿透不透 明物質(zhì)。 在空氣中超聲波的傳播速度主要與溫度有關(guān)，在空氣中傳播速度C為： （）式中，Ｔ為環(huán)境溫度。 超聲波傳感器的選擇本設(shè)計(jì)采用壓電式超聲波傳感器，傳感器選擇收發(fā)分體式換能器，而且換能器的體積不能過(guò)大。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1） 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到他兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2） 工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲波傳感器的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。（3） 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，林敏度低。基于以上考慮，本文超聲波傳感器采用的是普遍應(yīng)用的壓電式超聲波傳感器T/R4016，其特性如下：（1） T/R4016型號(hào)代碼T發(fā)射；R接受；40中心頻率；16外殼直徑。（2） T/R4016結(jié)構(gòu)圖本設(shè)計(jì)中選用T/R4016型超聲波傳感器，T/R4016內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示。超聲波傳感器由壓電晶片、錐形喇叭、底座、引線、金屬外殼及屏蔽網(wǎng)組成。其中，壓電晶片是傳感器的核心，錐形喇叭使發(fā)射和接收超聲波的能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬網(wǎng)可防止外界力量對(duì)壓電晶片和錐形喇叭的損害，金屬網(wǎng)也起保護(hù)作用，但不影響發(fā)射和接收超聲波[1114]。圖21 T/R4016內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（3） 頻率特性曲線T/R4016超聲波傳感器的聲壓電平和靈敏度曲線如圖223所示，從上圖中可以得知，它的聲壓能級(jí)、靈敏度在40KHz的時(shí)候最大，所以電路一般選用40KHz作為傳感器的使用頻率。 圖22 聲壓電平曲線圖23 靈敏度特性曲線 發(fā)射脈沖波形超聲波測(cè)距常用的發(fā)射脈沖波形如圖24所示，有單個(gè)尖脈沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅波列脈沖和寬等幅波列脈沖。介質(zhì)中超聲波的衰減系數(shù)根據(jù)前面的分析可知是頻率f的函數(shù)，因此發(fā)射的脈沖波中不同頻率成分的波將以不同的群速度傳播，這使得脈沖波形將隨著傳播距離的增大而發(fā)生畸變，并且這種畸變程度隨距離的增加而變得顯著。在要求分辨力較高和盲區(qū)較短的超聲測(cè)量技術(shù)中，一般使用寬度較窄的脈沖波[1518]。圖24 超聲波測(cè)距常用發(fā)射脈沖波形 測(cè)距系統(tǒng)的誤差分析和修正超聲波測(cè)距的總誤差可以由式（）計(jì)算： （）式中：——測(cè)距總誤差；C——超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；——聲速誤差；——測(cè)距時(shí)間的誤差；——其他誤差，主要包括探頭固定誤差、噪聲干擾誤差等。由式（）可以看出，要提高測(cè)距精度，必須減小時(shí)間和聲速測(cè)量的誤差，并且對(duì)干擾進(jìn)行合理的分析和處理[1920]。 超聲波在空氣中傳播速度的補(bǔ)償原理由于聲速對(duì)測(cè)距影響較大，所以必須補(bǔ)償超聲波在空氣中的傳播速度，根據(jù)公式 可知溫度是影響聲速的主要因素。 對(duì)聲速的補(bǔ)償，現(xiàn)在大多采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中加入溫度檢測(cè)部分對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，以提高超聲波的測(cè)距精度。DS18B20是該方案常用的溫度傳感器。 但是通過(guò)溫度測(cè)量補(bǔ)償聲速的方法也存在著問(wèn)題，由于引入了環(huán)境溫度這個(gè)參數(shù),必然會(huì)存在環(huán)境溫度測(cè)量的誤差，如果沒(méi)有合適的處理溫度測(cè)量的誤差，將會(huì)導(dǎo)致溫度補(bǔ)償聲速的誤差加大，達(dá)不到預(yù)期的目的。因此本系統(tǒng)沒(méi)有采用溫度補(bǔ)償聲速的方法進(jìn)行聲速C的誤差校正，而是采用了標(biāo)桿測(cè)量法。 標(biāo)桿測(cè)量法是在超聲波發(fā)射器前設(shè)置標(biāo)志桿，由于已知距離s，因此只需要測(cè)出超聲波的渡越時(shí)間ｔ，就可以根據(jù)C=s/t，算出當(dāng)?shù)芈曀貱來(lái)校正實(shí)際測(cè)量的聲速。使用標(biāo)桿測(cè)量法的好處是不需要通過(guò)引入溫度參數(shù)來(lái)進(jìn)行聲速的補(bǔ)償，避免了因溫度補(bǔ)償聲速帶來(lái)的二次誤差。而且標(biāo)桿的環(huán)境就是測(cè)量的環(huán)境，條件一致，可以直接用測(cè)量的聲速C來(lái)進(jìn)行誤差校正，適用范圍廣。 渡越時(shí)間測(cè)量誤差的修正分析測(cè)距時(shí)間的誤差是無(wú)可避免的，因?yàn)椴还苣悴捎煤畏N方法，計(jì)時(shí)都存在著誤差。這是由硬件本身決定的，但是如何選擇合適的渡越時(shí)間測(cè)量法來(lái)減少渡越時(shí)間測(cè)量的誤差，就是提高超聲波測(cè)距精度的關(guān)鍵所在。 現(xiàn)有的超聲波測(cè)距系統(tǒng)大多是采用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的功能，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率越高，則時(shí)間量化誤差造成的測(cè)距誤差就越小。雖然計(jì)數(shù)誤差可以由軟件來(lái)減小，但是即使是進(jìn)行軟件修正