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超聲波測距誤差分析

內容來源:超聲波清洗機   發布日期:2016-06-27 09:28:48

 傳感器技術(Journal研究與探討超聲波測距誤差分析蘇煒\龔壁建2,潘笑1(1.武漢大學自動化系,湖北武漢,430070;2.長江科學院,湖北武漢430011)儀器設計時超聲波傳感器的選擇、計數頻率的確定及盲區對測量的影響,指出了提高測量準確度的途徑,重點闡述了利用軟件修正誤差的方法,使儀器達到了設計指標,滿足了工業測量的實際需要。

  0前言隨著自動測量和微機技術的發展,超聲波測距的理論已經成熟,超聲波測距的應用也非常廣泛,目前,國內的測距儀器在測量準確度方面較國外有些差距。本文綜述了超聲波測距的原理及環境對測量準確度的影響,指出了在儀器設計時提高測量準確度的途徑,重點闡述利用軟件修正誤差的方法。

  1測量原理聲波是媒質中傳播的質點的位置、壓強和密度對相應靜止值的擾動。高于2x104Hz時的機械波稱為超聲波,媒質包括氣體、液體和固體。流體中的聲波常稱為壓縮波或壓強波,對一般流體媒質而言,聲波是一種縱波,傳播速度為減常數(每單位距離強度或幅度的衰減)有關,m/s.測量后者可求得媒質中的損耗。聲波的傳播與媒質的彈性模量密度、內耗以及形狀大小(產生折射、反射、衍射等)有關。

  利用聲波反射原理,已知聲速c,測量發射波與反射波的時間間隔t,可得到發射點與反射點的距離S為2環境對測量的影響從式(1)可知,聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關,因此,利用聲速測量距離,就要考慮這些因素對聲速影響。在氣體中,壓強、溫度、濕度等因素會引起密度變化,氣體中聲速主要受密度影響,液體的深度、溫度等因素會引起密度變化,固體中彈性模量對聲速影響較密度影響更大,一般超聲波在固體中傳播速度最快,液體次之,在氣體中的傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度的影響最大。聲波擾動是機械的,聲波在傳播中帶有機械能量,聲能傳播的蘇煒等:超聲波測距誤差分析途中逐漸轉變成熱,從而出現隨距離而逐漸衰減的現象,稱為聲吸收。聲波的頻率越高衰減得越厲害,傳播距離也越短,在給定的頻率下,衰減是濕度的函數。

  2.1聲速受溫度的影響根據式(3)測量的溫度-聲速圖和溫度-聲速增量圖如和所示。

  空氣中溫度-聲速圖空氣中溫度-聲速增量0°C變化時,將會產生7%的聲速變化,因此,為了提高測量準確度,計算時必須根據溫度進行聲速修正。工業測量中,一般用公式計算超聲波在空氣中的傳播速度,即2.2聲波的衰減程度受濕度的影響聲波傳播過程中,聲壓的幅度由于媒質中聲吸收而衰減,聲強隨頻率增高衰減增加,在給定的頻率時衰減是濕度的函數。指出:產生最大衰減時的濕度值視頻率而不同,例如:頻率大于125kHz時,最大衰減發生在濕度為100 %RH處,而在頻率40kHz時,最大衰減發生在濕度50 3儀器電路的設計3.1超聲發送和接收超聲傳感器等效為1個電感器、2個電容器和1個電阻器串并聯電路如所示。圖中,左右兩側呈現容性,中間呈現感性,是一種典型高Q值晶體振子特性。在/s和介處出現2個阻抗最低點,因此,有2個諧振峰。發送傳感器在串聯諧振峰有最高靈敏度接收傳感器在并諧振峰有最高靈敏度。電路激勵和接收頻率要考慮在此諧振點工作,此外,由于通常需要大功率驅動,考慮用諧振升壓推動是必要的。

  (a)超聲傳感器等效電路(b>超聲傳感器電抗特性超聲波傳感器等效電路和電抗特性圖超聲波發送應考慮因素有:(1)量程范圍;(2)目標距離和目標反射情況。超聲波頻率高對探測較小目標有利,指出有效反射目標應大于至少10個波長以上,對于非垂直于發射波束的目標,大波束角的傳感器通常可以獲得更強的回波信號,而波束角越窄對于減小散射波的干擾越有利。

  3.2回波測量的計時準確度在室溫下,空氣中的聲速是345m/s,考慮反射式測量有2倍路程,則被測距離與測距時間關系為,345,也就是每計時1A對應被測距離0. 172表1表示了幾種計數頻率對應的最小測距分辨力。

  表1計數頻率-最小分辨力表傳感器技術采用1MHz的計數頻率測時,對應最小分辨力為0.1720mm.這種分辨力可以滿足大多數工業測量場合。

  3.3回波信號放大與整形接收傳感器的感應信號通常是mV級,需要經過上百近千倍的增益放大,然后再整形。采用調諧放大器比直接放大器雖然復雜,但可以獲得更高的信噪比。由于聲波在傳輸過程中的吸收衰減和擴散損失,聲強隨目標距離增大而衰減,在量程范圍內,最近目標和最遠目標的回波幅度可能相差1個數量級。遠目標回波信號幅度小、信噪比低,可能導致整形失敗或者是越過門檻的時刻前后移動,這是影響大多數測距裝置重復性和測量準確度的一個原因。

  以40kHz聲波頻率為例,采用1MHz計數頻率,若越過門檻的時刻前后移動僅僅2個周期,就會產生50A誤差,相應測距誤差為0.1720mmx50=8.6mm.放大器采用AGC自動增益控制是必須的,但仍然未能解決問題,因為AGC電路(包括放大器本身)對信號的階躍響應有滯后,瞬時跟蹤性不佳,而回波信號恰恰是爆發性的。這里提示出不應該對近程的強回波信號和遠程的弱回波信號采用同一個門檻電壓,恒定的門檻閾值相對強信號偏低,本可以被壓制的噪聲信號不能壓制。而對弱信號而言,相對又太高,更容易被疊加的噪聲信號誤觸發。本文作者采用的方法是專門產生一個隨時間減小的閾值信號。

  在一般測量場合下,盲區存在無關緊要,但是,在有些要求近距測量的特殊場合下可能成為重要因素,如水力學試驗室內的水下地形測量等。盲區產生原因對于單換能器反射和雙換能器反射分別不同,一般來說,雙換能器有利于減小盲區。

  單換能器產生盲區的主要原因是:由于電聲換能器的電氣阻尼振蕩和機械阻尼振動共同作用下,產生余振阻尼衰減信號,在換能器由發射狀態轉入接收狀態后,首先接收到的信號是這種余振信號,在此信號衰減到足夠小的時間內,換能器接收到的回波信號與阻尼衰減信號疊加混淆,使電路鑒別不出真正的回波,如。

  當換能器安裝不良時,在方波信號的高次諧波激勵下,極易引發自激產生阻尼振蕩,因此,電聲換能器安裝的固有機械振動頻率應盡可能避開激勵頻率。

  雙換能器在發射波結束后,接收換能器接收到的第一個波是串擾直通波(也稱泄漏波),它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發射換能器直接達到接收換能器而造成的,如所示。

  雙傳感器波形圖改善的措施可以減少發射波串的長度,發射波頻率增高,波長減小,可以減少繞射,還可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。

  這些措施也都有一定限度,例如:發射波串的長度過短將使得發射換能器激振達不到最大值或不能被激振。發射波頻率加高受到換能器特性限制,同時,發射波頻率加高使超聲波在媒介中的衰減大幅度加劇,使作用距離下降。

  4誤差修正算法經過多次測量發現,在同一溫度下測量結果有如下規律:(1)對于同一距離進行多次測量所測數據穩定性很好,1.5m范圍內變化最大不超過0.7mm;(2)測量誤差隨著所測距離的增大而增大。

  蘇煒等:超聲波測距誤差分析測量誤差曲線這里的誤差包含兩種:一種是固定誤差一測量的起始位置與探頭的壓電晶片所在位置之間的距離,這種誤差不隨測量環境和距離的變化而變化;另一種是可變誤差一隨著距離的增大而增大,主要是由接收超聲波越過整形門檻的時間與超聲波實際到達探頭的時間不同引起的。因此,在除溫度以外其他環境因數相對穩定的情況下,測量誤差可表示為£e=5+際超聲波到達的時間差,c0為超聲波在溫度0時的傳播速度。由于溫度對超聲波的衰減影響不大,所以,在只有溫度這一因數變化的情況下,對于同一距離不同溫度而言,ti基本不變。因此,根據公式在不同溫度下測量同一距離,分別測量多次,得出距離相對應的誤差,就可以求出。本文求出=9mm.因此,可以根據20°C的誤差曲線和式(5)得出與距離對應的ti值為由式(3)和式(5)可以得出的誤差函數表和式(7),就可以對任意溫度下任意距離(測量范圍內)的結果進行修正,25°C時,5組不同距離的誤差數值如表2.表2誤差數值表實際距離測量距離最大誤差從表2中看出:在1.5m范圍內測量誤差不超5結論由于在儀器設計時,根據量程范圍、目標距離和目標反射情況以及特殊的測量場合,選擇合適的超聲波傳感器;軟件設計時,確定合適的計數頻率并對回波信號在放大與整形后產生一個隨時間減小的閾值信號,提高了測量準確度和重復性。而且利用軟件進行誤差修正,可以對任意溫度下任意距離(測量范圍內)的結果進行修正,在1.5m范圍內測量誤差不超過1mm,達到了設計指標,滿足了工業測量的實際需要。

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