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超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)及其應(yīng)用分析及概念
閱讀：1860 發(fā)布時(shí)間：2013-1-24
超聲波測(cè)距儀的概念
超聲波測(cè)距儀在氣體,、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好,、能量集中,、傳輸過(guò)程中衰減較小、反射能力較強(qiáng),。超聲波能以一定速度定向傳播,、遇障礙物后形成反射，利用這一特性,，通過(guò)測(cè)定超聲波往返所用時(shí)間就可計(jì)算出實(shí)際距離,，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量物體距離。超聲波測(cè)距迅速,、方便,，且不受光線等因素影響，廣泛應(yīng)用于水文液位測(cè)量,、建筑施工工地的測(cè)量,、現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控、振動(dòng)儀車輛倒車障礙物的檢測(cè),、移動(dòng)機(jī)器入探測(cè)定位等領(lǐng)域,。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式超聲波測(cè)距儀通過(guò)對(duì)超聲波往返時(shí)間內(nèi)輸入到計(jì)數(shù)器特定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而顯示對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離,。超聲波測(cè)距儀由超聲波發(fā)生電路,、超聲波接收放大電路、計(jì)數(shù)和顯示電路組成。
一,、超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)原理
超聲測(cè)距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)的特性進(jìn)行測(cè)量的,。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),，超聲波在空氣中傳播,，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí),。通過(guò)不斷檢測(cè)產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差T，然后求出距離L,?；镜臏y(cè)距公式為：L=（△t/2）＊C
式中L——要測(cè)的距離
T——發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間間隔
C——超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s
聲速確定后,，只要測(cè)出超聲波往返的時(shí)間,，即可求得L。
二,、數(shù)據(jù)測(cè)量和分析
1.數(shù)據(jù)測(cè)量與分析
由于實(shí)際測(cè)量工作的局限性,，后在測(cè)量中選取了一米以下的30cm、50cm,、70cm,、80cm、90cm,、100cm六個(gè)距離進(jìn)行測(cè)量,，每個(gè)距離連續(xù)測(cè)量七次，得出測(cè)量數(shù)據(jù)（溫度:29℃）,如表所示,。從表中的數(shù)據(jù)可以看出,，測(cè)量值一般都比實(shí)際值要大幾厘米，但對(duì)于連續(xù)測(cè)量的準(zhǔn)確性還是比較高的,。
對(duì)所測(cè)的每組數(shù)據(jù)去掉一個(gè)大值和小值,，再求其平均值，用來(lái)作為終的測(cè)量數(shù)據(jù),，后進(jìn)行比較分析,。這樣處理數(shù)據(jù)也具有一定的科學(xué)性和合理性。從表中的數(shù)據(jù)來(lái)看,，雖然對(duì)超聲波進(jìn)行了溫度補(bǔ)償,，但在比較近的距離的測(cè)量中其相對(duì)誤差也比較大。特別是對(duì)30cm和50cm的距離測(cè)量上,，相對(duì)誤差分別達(dá)到了5%和4.8%,。但從全部測(cè)量結(jié)果看,，本設(shè)計(jì)的誤差都比較小，也比較穩(wěn)定,。本設(shè)計(jì)盲區(qū)在22.6cm左右,，基本滿足設(shè)計(jì)要求。
2.誤差分析
測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：
?。?）超聲波發(fā)射與接收探頭與被測(cè)點(diǎn)存在一定的角度,，這個(gè)角度直接影響到測(cè)量距離的值;（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí),，不一定是*個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā);（3）由于工具簡(jiǎn)陋,，實(shí)際測(cè)量距離也有誤差。影響測(cè)量誤差的因素很多,，還包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾,、時(shí)基脈沖頻率等等。
三,、超聲波測(cè)距儀應(yīng)用分析
采用超聲波測(cè)量大氣中的地面距離,，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù),，不受光線,、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境（如含粉塵）具有一定的適應(yīng)能力,。因此，用途極度廣泛,。例如:測(cè)繪地形圖,，建造房屋、橋梁,、道路,、開(kāi)挖礦山、油井等,，利用超聲波測(cè)量地面距離的方法,，是利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，超聲測(cè)距儀的優(yōu)點(diǎn)是:儀器造價(jià)比光波測(cè)距儀低,，省力,、操作方便。
超聲測(cè)距儀在*的機(jī)器人技術(shù)上也有應(yīng)用,，把超聲波源安裝在機(jī)器人身上,，由它不斷向周圍發(fā)射超聲波并且同時(shí)接收由障礙物反射回波來(lái)確定機(jī)器人的自身位置，用它作為傳感器控制機(jī)器人的電腦等等,。由于超聲波易于定向發(fā)射,，方向性好,，強(qiáng)度好控制，它的應(yīng)用價(jià)值己被普遍重視,。
總之,，由以上分析可看出:利用超聲波測(cè)距，在許多方面有很多優(yōu)勢(shì),。因此,，本課題的研究是非常有實(shí)用和商業(yè)價(jià)值。
超聲波測(cè)距儀在氣體,、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好,、能量集中,、傳輸過(guò)程中衰減較小、反射能力較強(qiáng),。超聲波能以一定速度定向傳播,、遇障礙物后形成反射，利用這一特性,，通過(guò)測(cè)定超聲波往返所用時(shí)間就可計(jì)算出實(shí)際距離,，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量物體距離。超聲波測(cè)距迅速,、方便,，且不受光線等因素影響，廣泛應(yīng)用于水文液位測(cè)量,、建筑施工工地的測(cè)量,、現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控、振動(dòng)儀車輛倒車障礙物的檢測(cè),、移動(dòng)機(jī)器入探測(cè)定位等領(lǐng)域,。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式超聲波測(cè)距儀通過(guò)對(duì)超聲波往返時(shí)間內(nèi)輸入到計(jì)數(shù)器特定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而顯示對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離,。超聲波測(cè)距儀由超聲波發(fā)生電路,、超聲波接收放大電路、計(jì)數(shù)和顯示電路組成。
一,、超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)原理
超聲測(cè)距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)的特性進(jìn)行測(cè)量的,。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),，超聲波在空氣中傳播,，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí),。通過(guò)不斷檢測(cè)產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差T，然后求出距離L,?；镜臏y(cè)距公式為：L=（△t/2）＊C
式中L——要測(cè)的距離
T——發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間間隔
C——超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s
聲速確定后,，只要測(cè)出超聲波往返的時(shí)間,，即可求得L。
二,、數(shù)據(jù)測(cè)量和分析
1.數(shù)據(jù)測(cè)量與分析
由于實(shí)際測(cè)量工作的局限性,，后在測(cè)量中選取了一米以下的30cm、50cm,、70cm,、80cm、90cm,、100cm六個(gè)距離進(jìn)行測(cè)量,，每個(gè)距離連續(xù)測(cè)量七次，得出測(cè)量數(shù)據(jù)（溫度:29℃）,如表所示,。從表中的數(shù)據(jù)可以看出,，測(cè)量值一般都比實(shí)際值要大幾厘米，但對(duì)于連續(xù)測(cè)量的準(zhǔn)確性還是比較高的,。
對(duì)所測(cè)的每組數(shù)據(jù)去掉一個(gè)大值和小值,，再求其平均值，用來(lái)作為終的測(cè)量數(shù)據(jù),，后進(jìn)行比較分析,。這樣處理數(shù)據(jù)也具有一定的科學(xué)性和合理性。從表中的數(shù)據(jù)來(lái)看,，雖然對(duì)超聲波進(jìn)行了溫度補(bǔ)償,，但在比較近的距離的測(cè)量中其相對(duì)誤差也比較大。特別是對(duì)30cm和50cm的距離測(cè)量上,，相對(duì)誤差分別達(dá)到了5%和4.8%,。但從全部測(cè)量結(jié)果看,，本設(shè)計(jì)的誤差都比較小，也比較穩(wěn)定,。本設(shè)計(jì)盲區(qū)在22.6cm左右,，基本滿足設(shè)計(jì)要求。
2.誤差分析
測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：
?。?）超聲波發(fā)射與接收探頭與被測(cè)點(diǎn)存在一定的角度,，這個(gè)角度直接影響到測(cè)量距離的值;（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí),，不一定是*個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā);（3）由于工具簡(jiǎn)陋,，實(shí)際測(cè)量距離也有誤差。影響測(cè)量誤差的因素很多,，還包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾,、時(shí)基脈沖頻率等等。
三,、超聲波測(cè)距儀應(yīng)用分析
采用超聲波測(cè)量大氣中的地面距離,，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù),，不受光線,、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境（如含粉塵）具有一定的適應(yīng)能力,。因此，用途極度廣泛,。例如:測(cè)繪地形圖,，建造房屋、橋梁,、道路,、開(kāi)挖礦山、油井等,，利用超聲波測(cè)量地面距離的方法,，是利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，超聲測(cè)距儀的優(yōu)點(diǎn)是:儀器造價(jià)比光波測(cè)距儀低,，省力,、操作方便。
超聲測(cè)距儀在*的機(jī)器人技術(shù)上也有應(yīng)用,，把超聲波源安裝在機(jī)器人身上,，由它不斷向周圍發(fā)射超聲波并且同時(shí)接收由障礙物反射回波來(lái)確定機(jī)器人的自身位置，用它作為傳感器控制機(jī)器人的電腦等等,。由于超聲波易于定向發(fā)射,，方向性好,，強(qiáng)度好控制，它的應(yīng)用價(jià)值己被普遍重視,。
總之,，由以上分析可看出:利用超聲波測(cè)距，在許多方面有很多優(yōu)勢(shì),。因此,，本課題的研究是非常有實(shí)用和商業(yè)價(jià)值。