【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 息，達(dá)到檢測(cè)媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的。利用超聲對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中，幾乎沿直線傳播；超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離；超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，對(duì)外界光線和電磁干擾不敏感，可以用于黑暗、有煙霧或灰塵、電磁干擾強(qiáng)等惡劣的環(huán)境中；超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和集成化。正因?yàn)槌暡ㄓ兄@些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防中越來(lái)越被人們所重視。目前，超聲波已廣泛應(yīng)用在民用及國(guó)防工業(yè)中。例如，用超聲波可以探測(cè)海洋潛艇的位置、魚(yú)群以及確定海底暗礁等障礙物形狀及位置；利用超聲波傳播的時(shí)間確定物體的長(zhǎng)度以及超聲波在固體里遇到障礙物的反射來(lái)確定物體內(nèi)部損傷的位置，稱之為無(wú)損探傷；利用超聲波測(cè)距輔助機(jī)器人確定自身位置，從而準(zhǔn)確避開(kāi)障礙物，按照預(yù)先規(guī)劃好的行進(jìn)方向來(lái)完成預(yù)定任務(wù)。另外還有應(yīng)用于礦井探測(cè)、液面探測(cè)、物位的測(cè)量、汽車(chē)報(bào)警等領(lǐng)域。超聲波測(cè)距主要是利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)表現(xiàn)出來(lái)良好的性質(zhì)進(jìn)行距離測(cè)量的，與軍事、大型工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距等技術(shù)相比，這種檢測(cè)技術(shù)難度相對(duì)較小，成本比較低廉，不易受環(huán)境的限制，應(yīng)用起來(lái)比較方便、迅速、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能夠達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此超聲波測(cè)距技術(shù)得以廣泛的推廣和應(yīng)用。 超聲波測(cè)距的發(fā)展概況超聲波測(cè)距雖然被大量應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，但他在低信噪比下測(cè)距精度較低，多個(gè)超聲波測(cè)距條件下會(huì)產(chǎn)生相互影響，另外測(cè)距的盲區(qū)較大，這些固有的特點(diǎn)也限制其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。在目前使用的超聲測(cè)距技術(shù)中，應(yīng)用最多的是Pellam 和Galt于1946年提出的脈沖回波檢測(cè)法，其原理是通過(guò)超聲傳感器發(fā)射超聲波，并接收從被測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)的回波信號(hào)，確定超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，然后再根據(jù)超聲波傳播的速度，計(jì)算出超聲波傳感器與被測(cè)物體之間的距離。為了提高超聲波位移檢測(cè)的精度，國(guó)外在這方面做了大量的研究，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也做了相關(guān)的研究。廈門(mén)大學(xué)的童峰研究了一種回波輪廓分析法。提出在超聲測(cè)距系統(tǒng)中，測(cè)距誤差也即聲脈沖傳輸時(shí)間的測(cè)量誤差，實(shí)際上是對(duì)測(cè)距脈沖回波前沿的檢測(cè)誤差。根據(jù)聲波的發(fā)射，反射及傳輸理論推出了測(cè)距回波包絡(luò)曲線的近似方程，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)方程，據(jù)此提出了一種高精度超聲波測(cè)距的信號(hào)處理方法，通過(guò)這樣處理后超聲波的傳輸時(shí)間的精度得到了很大提高。中國(guó)科學(xué)院上海聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的王潤(rùn)田提出，超聲波頻率高，衰減系數(shù)大，傳播的距離短，因此用來(lái)測(cè)距的超聲波頻率不能太高；但另一方面頻率低，波長(zhǎng)就長(zhǎng)，測(cè)距的誤差就增大，實(shí)際上測(cè)量精度與測(cè)距范圍是矛盾的。為了在一個(gè)較遠(yuǎn)距離的范圍內(nèi)提高測(cè)距的精度，王潤(rùn)田提出，在測(cè)距時(shí)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)頻率的超聲波，頻率較高的進(jìn)行近距離的測(cè)量，頻率較低的進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測(cè)量，這樣就實(shí)現(xiàn)了在較遠(yuǎn)范圍內(nèi)提高測(cè)距精度。東南大學(xué)無(wú)線電工程系研究了窄帶超聲傳感器對(duì)測(cè)距精度的影響，采用了基于橫向?yàn)V波器的解卷積的處理方法使接收信號(hào)的帶寬得到了擴(kuò)展，并利用最小均方誤差算法構(gòu)造了解卷積濾波器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種處理方法有效提高了系統(tǒng)的測(cè)距精度。意大利的Carullo等人提出了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，采用特殊的發(fā)射波形使獲得的回波包絡(luò)比較理想，同時(shí)估測(cè)環(huán)境對(duì)噪聲的影響，設(shè)置一定的回波閾值電平，且采用自動(dòng)增益的控制放大器，通過(guò)這些措施來(lái)提高超聲波的測(cè)量精度。日本三菱電氣公司的Tomonori等人采用兩種的發(fā)射頻率來(lái)發(fā)射超聲波，通過(guò)比較兩種回波的相位來(lái)決定回波的起點(diǎn)，也提高了傳播時(shí)間的精度，從而提高了超聲波的測(cè)距精度。另外也有大量的文獻(xiàn)資料介紹了采用小波變換理論來(lái)提高傳輸時(shí)間的精度和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，這些處理方法對(duì)于提到測(cè)距精度都有較好的效果。 超聲檢測(cè)的原理和方法超聲檢測(cè)與超聲測(cè)距所用的方法類似。超聲測(cè)距的方法有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法等。其中相位檢測(cè)法精度高，但是監(jiān)測(cè)范圍有限，聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響，采用最多的是往返時(shí)間檢測(cè)法。往返時(shí)間檢測(cè)法的基本原理在聲速已知的情況下通過(guò)測(cè)量發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算障礙物的距離，原理圖如圖24所示。具體的說(shuō)就是當(dāng)40KHz的電壓脈沖信號(hào)由導(dǎo)線輸入傳感器后，由壓電陶瓷晶片將此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)通過(guò)空氣向外發(fā)送出去，發(fā)送出的超聲信號(hào)向空中各方向沿直線傳播，遇到障礙物反射回來(lái)。傳感器在接收到反射回來(lái)的回波信號(hào)后再次將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的波動(dòng)。此時(shí)得到的電壓脈沖信號(hào)非常的微弱，經(jīng)過(guò)后極的放大電路等的處理后被采集處理。圖22超聲波測(cè)距原理圖 超聲波測(cè)距的基本原理距是一種非接觸式的檢測(cè)技術(shù)。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、灰塵、煙霧、電磁干擾，惡劣環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。而且超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。因此超聲波作為非接觸測(cè)量手段，越來(lái)越引起人們的重視。超聲波傳感器發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過(guò)介質(zhì)返回到接收探頭，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，就能算得從探頭到障礙物的距離。根據(jù)所用探頭的工作方式，可分為自發(fā)自收單探頭方式和一發(fā)一收雙探頭方式。單探頭方式就是探頭發(fā)出的超聲波在介質(zhì)中傳播，遇到障礙物反射后返回至同一探頭而被接收。如圖23所示，探頭到障礙物的距離為S，測(cè)距表達(dá)式為： （21）式中：S為所測(cè)障礙物的距離，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)送到接收所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。從上式可看出，只要已知聲速c，就可以靠準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間t的方法來(lái)精確測(cè)量距離S。圖23 單探頭測(cè)距原理圖雙探頭方式是一個(gè)探頭只負(fù)責(zé)發(fā)射超聲波，另一個(gè)探頭只負(fù)責(zé)接受反射回來(lái)的超聲波。如圖22所示，H 為兩個(gè)探頭之間的距離，聲速?gòu)奶筋^至障礙物的路徑為D，而探頭至障礙物的距離為S，則： （22） （23）式中：D為聲速?gòu)奶筋^至障礙物的路徑，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)送到接收所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，S為探頭至障礙物的距離，H為兩個(gè)探頭之間的距離。圖24雙探頭反射式測(cè)距示意圖在應(yīng)用中一般發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離很近，當(dāng)探頭與障礙物的距離較遠(yuǎn)時(shí)，D與2S相差很小，可以忽略不計(jì)，即所求的D就為所測(cè)探頭與障礙物之間的距離。一般來(lái)說(shuō)，單探頭自發(fā)自收的工作方式是優(yōu)先考慮采用的方式，這是因?yàn)椋旱谝?，單探頭方式中計(jì)算距離的公式比較簡(jiǎn)單，而雙探頭方式的計(jì)算公式中都須進(jìn)行一些修正；第二，探頭多了，占地就多，所用的接插件和電纜等附件的數(shù)量都增多，出現(xiàn)故障的可能性也相應(yīng)增大。從經(jīng)濟(jì)、安裝和維修等各個(gè)角度來(lái)看，都較不利。 測(cè)量精度的問(wèn)題 影響測(cè)量精度的因素在測(cè)距公式中，聲波在介質(zhì)中的傳播速度c是一個(gè)受多種因素影響的變量，聲時(shí)t是由計(jì)時(shí)電路測(cè)量得到的，并隨著被測(cè)距離的改變而變化的，對(duì)式()兩邊微分得到 （24）式(24)說(shuō)明，超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度是由聲時(shí)和聲速兩個(gè)參數(shù)決定的。1．聲時(shí)的影響修正在影響聲時(shí)精度的諸多因素中，計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率和超聲波的發(fā)射頻率有是兩個(gè)重要因素。(1) 計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率取為常數(shù)，則（24）為： (25)假設(shè)計(jì)時(shí)頻率為，則(24)為 (26)(26)表明：計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率越大，測(cè)試精度越高。(2) 超聲波頻率超聲波傳感器收到回波信號(hào)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，電信號(hào)（接收信號(hào)）的幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖32所示。如果將觸發(fā)計(jì)時(shí)電路的閥值設(shè)為A點(diǎn)所在的水平電信號(hào)，那么，計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)時(shí)間比接收信號(hào)的開(kāi)始時(shí)間滯后了2個(gè)周期，在測(cè)量距離時(shí)將產(chǎn)生1個(gè)波長(zhǎng)的誤差，即： （27）式中：T為超聲波的周期，為測(cè)量距離內(nèi)將產(chǎn)生的誤差圖25 接收信號(hào)示意圖所以，超聲波頻率越大，周期就越小，傳感器的測(cè)量精度越高。并且超聲波頻率高，繞射能力弱，擴(kuò)散角小，波束細(xì)，則盲區(qū)比較小。但在選用超聲波換能器時(shí)，還應(yīng)考慮到超聲波換能器的頻率越大，傳播過(guò)程中的衰減系數(shù)越大，將影響它的有效測(cè)試距離。本系統(tǒng)屬于近距離測(cè)量，因此選用頻率較高的125KHz 超聲波。式(21)明：超聲波測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量距離時(shí)，必須知道超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，才能根據(jù)計(jì)時(shí)值中求出所測(cè)物體的距離。超聲波的傳播速度是一個(gè)變量，受多種因素影響，即使在傳播介質(zhì)確定的情況下，介質(zhì)溫度、壓力、風(fēng)力等因素的改變，也將影響超聲波的傳播速度。所以，在超聲波測(cè)距系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，很難得到一個(gè)穩(wěn)定不變的超聲波速度，因此必須對(duì)超聲波的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。對(duì)于在大氣中傳播的聲波而言，引起聲速變化的主要原因是溫度的變化。(1) 溫度傳感器校正如果傳播介質(zhì)比較穩(wěn)定，而且溫度是影響傳播速度的最主要因素，那么就可以采用溫度傳感器對(duì)超聲波速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。校正方法：通過(guò)試驗(yàn)確定在傳播介質(zhì)中超聲波速度與溫度之間的關(guān)系曲線，按照一定的溫度間隔得到一個(gè)溫度與速度的關(guān)系表格，最后將溫度與速度的關(guān)系表存入超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)測(cè)距時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器獲得介質(zhì)的實(shí)時(shí)溫度，然后從速度與溫度關(guān)系表格中取出對(duì)應(yīng)速度，（）從而清除溫度對(duì)超聲波的影響，則求出實(shí)際測(cè)試距離。 超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系溫度/℃3020100102030100聲速m/s313319325333338344350388 提高測(cè)量精度的措施針對(duì)上述測(cè)量精度的影響因素，采取如下措施可以提高超聲波測(cè)距傳感器的測(cè)量精度。1. 提高計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率如果選擇1 MHz脈沖頻率，則計(jì)時(shí)頻率周期可達(dá)到，如果，則測(cè)試精度為：?？梢?jiàn)，如果提高計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率，則精度會(huì)提高。2. 提高超聲波換能器的固有頻率如果超聲波的固有頻率為40 KHz，并假設(shè)接收信號(hào)滯后兩個(gè)周期，則式()得測(cè)試誤差為：。如果超聲波的固有頻率為125KHz。3. 超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系根據(jù)當(dāng)時(shí)的溫度情況，對(duì)照超聲波的傳播速度與溫度關(guān)系，采用適合的聲速來(lái)進(jìn)行計(jì)算。3 超聲波導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 總體實(shí)現(xiàn)的功能 障礙物檢測(cè)這是本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)最主要的功能，目的是能夠?qū)γと酥車(chē)慕ㄖ⑼蛊?、溝壑等障礙物進(jìn)行自動(dòng)判斷和定位。同時(shí)對(duì)回波信號(hào)運(yùn)用一定的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行分析以便反映出障礙物的性質(zhì)。 超聲測(cè)距該部分是利用超聲波在空氣中傳播時(shí)遇到障礙物返回的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離的目的