超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論分析及工作原理

在雙探頭近距離的超聲波測距系統(tǒng)中，存在著測量精度不高的問題，并且距離越近誤差越大，在測量距離小于10cm時(shí)，由于探頭之間的相互影響，將導(dǎo)致無法測量該段距離。本系統(tǒng)根據(jù)超聲波傳播過程中的疊加原理，通過分析探頭之間干擾波與從被測物反射的回波的相互疊加，從而消除在近距離測量時(shí)的測距盲區(qū)。在發(fā)射和接收探頭之間距離不同時(shí)，分析其對測量誤差的影響，選擇最理想的探頭放置距離，并且結(jié)合溫度對聲速傳播的影響，設(shè)計(jì)出近距離高精度無盲區(qū)超聲波測距系統(tǒng)。

超聲波測距由于具有非接觸式測量、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等許多優(yōu)點(diǎn)，在測距方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。以往的測距方法通常包括以下兩種：

（1）用微分電路監(jiān)測回波信號的極值電壓，該點(diǎn)的斜率為0，并記下從加載激勵(lì)信號到該時(shí)刻的時(shí)間，從而得到被測物的距離；

（2）用固定幅值門限的比較電路，當(dāng)回波信號的電壓達(dá)到所設(shè)的固定幅值時(shí)產(chǎn)生中斷記下該時(shí)刻，從而計(jì)算出到被測物的距離。這兩種檢測方法的共同缺點(diǎn)是：無法在近距離范圍內(nèi)測量，因?yàn)樗O(jiān)測的特征在測量盲區(qū)內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)，從而導(dǎo)致測量結(jié)果錯(cuò)誤。所以對應(yīng)的一般辦法是舍棄近距離的測量，屏蔽盲區(qū)的信號檢測，從而限制該類型超聲探頭在近距離測量方面的應(yīng)用，而選用更精密昂貴的超聲波探頭應(yīng)用在近距離測距的場合。

在收發(fā)換能器分立的超聲波測距系統(tǒng)中，由于發(fā)射探頭和接收探頭的距離較近，發(fā)射探頭產(chǎn)生的聲波信號在探頭壁上產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，從而使接收探頭接收到雜亂的回波信號，且當(dāng)被測物與超聲波探頭相距較近時(shí)，所收到的回波信號是從障礙物反射所得還是從發(fā)射探頭得到將很難分辨，故限制了其在近距離測量方面的應(yīng)用，因此提高近距離超聲波測距系統(tǒng)的測量精度具有重大的研究意義。

本文提出了一種近距離高精度無盲區(qū)超聲波測距的方法，如圖1所示。當(dāng)被測物與超聲波探頭相距較近時(shí)，超聲波探頭之間產(chǎn)生的干擾波和從被測物反射的回波將會(huì)進(jìn)行疊加作用在接收探頭上。探頭之間距離（R）越小，接收到干擾信號的幅值越大，距離越大，幅值將越小。根據(jù)聲波信號的疊加原理，采集接收到回波信號的幅值，通過分析回波信號的幅值信號，得出從被測物反射回波的到達(dá)時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)近距離的測量。同時(shí)，兩探頭之間的距離將會(huì)影響分析回波信號的分辨能力，所以對兩探頭之間的距離找一個(gè)平衡是提高超聲波在近距離測距精度的關(guān)鍵。