超聲波測距原理及影響測距精度的因素

超聲波測距原理及影響測距精度的因素TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1測距原理分析 1\o"CurrentDocument"2影響測距精度的因素 2\o"CurrentDocument"3信號傳輸過程分析及斜入射影響分析 3\o"CurrentDocument"①接收超聲脈沖信號波形的數(shù)學(xué)模型 3\o"CurrentDocument"②發(fā)射角和入射角對接收信號的影響 4測距原理分析目前，超聲波傳感器廣泛用作測距傳感器，常作為一種輔助視覺手段與其他視覺工具（如CCD圖像傳感器）配合使用，可有效提高機(jī)器的視覺功能。超聲波發(fā)生器可分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波；一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣類包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械類包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也有所不同，目前常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，其外觀結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。圖1超聲波接收、發(fā)射頭”htalvlatv”htalvlatve*rttl?-L?adrtt*0、SlutUitY? ■at?r1*JTvi-aln^la圖2超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)該傳感器有兩個壓電晶片和一個共振板，當(dāng)其兩極外加脈沖信號，且頻率從等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板震動產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時，將迫使壓電晶片振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計(jì)時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時器記錄的時間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S,即：S340t/2 （1）影響測距精度的因素除聲速變化、噪聲等影響因素外,聲波在空氣介質(zhì)中聲速的變化及散射,衰減的隨機(jī)不均勻性,引起接受信號在幅度和時間軸上的起伏,是造成測距誤差的一個主要原因。圖3所示為固定門限電平檢測下由幅度起伏引起觸發(fā)電路的信號前沿不同，所產(chǎn)生飛行時間（Timeofflight）檢測誤差，起伏變化越大引起的誤差就越大。針對這個問題提出的可變門限、前沿線性前推、零點(diǎn)叉點(diǎn)檢測等處理方法,這些方法一個共同的前提就是幅度起伏時,信號的歸一化波形基本不變（如圖3中實(shí)線波形所示）,如果波形發(fā)生了畸變（如圖3中虛線所示）,仍將引起較大的檢測誤差。

圖3幅度起伏(虛線是畸變波形)信號傳輸過程分析及斜入射影響分析①接收超聲脈沖信號波形的數(shù)學(xué)模型超聲脈沖信號接收信號的波形和發(fā)射傳感器、發(fā)射激勵、空氣對超聲信號的吸收和散射、發(fā)射角、入射角有關(guān)。為簡化分析起見，我們對這些作用因素進(jìn)行建模分析如圖2.4。圖4信號傳播過程假定S(t)為發(fā)射端加的激勵信號，則:TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"Rec(t,6,d,6)二S(t-d)-h(t,6)-(十)h(t,d)-h(t,6) (2)TR ctransTdair recR其中：h(t,9)=h(t,Gt)?Ht(t),h(t,9)=h(t,9)?h(t),trans T 9 rec R 9 R RRec(t,9,d,9)為接收波形，h,h和h分別是以9發(fā)射角時的發(fā)射傳感T R trans air rec T器、空氣介質(zhì)的吸收和散射，9為入射時的接收傳感器的脈沖響應(yīng)°h9是角度R9偏向的脈沖響應(yīng)，h和h是傳感器的脈沖響應(yīng)。式中空氣介質(zhì)h造成的接收波形TR air變化在較近距離內(nèi)可近似認(rèn)為只有幅度上的影響，而超聲換能器本身的特性hT和h對波形的影響是固定的。因此，接收信號波形主要受傳感器發(fā)射角和接收角R的影響，下面分析斜入射對接收信號波形的影響。②發(fā)射角和入射角對接收信號的影響從接收傳感器進(jìn)行理論分析，在遠(yuǎn)場時(一般應(yīng)用場合均滿足)，入射超聲波可看成是平面波，令入射波對傳感器的激勵強(qiáng)度正比于入射波與傳感器面的相交區(qū)域的面積，則傳感器的輸出信號也正比于這個相交區(qū)域的面積。對圓形入射面的接收傳感器，如圖5。當(dāng)入射的平面波垂直入射時，對傳感器的激勵發(fā)生在同一時刻，同一作用強(qiáng)度，則其脈沖響應(yīng)可看作一沖激信號，即垂直入射時不影響輸出波形的形狀和頻譜；當(dāng)入射波以角度9入射時，入射平面波從傳感器面的一端開始掃過整個傳感器面，在任一時刻相交區(qū)域是傳感器面上的一條弦，則對傳感器的激勵強(qiáng)度曲線即脈沖響應(yīng)曲線為傳感器面一端到另一端的一族平行弦的弦長，時域上是一個半橢圓；在同一時刻，同一作用強(qiáng)度,則其脈沖響應(yīng)可看作一沖激信號，即垂直入射時不影響輸出波形的形狀和頻譜；當(dāng)入射波以角度9入射時，入射平面波從傳感器面的一端開始掃過整個傳感器面，在任一時刻相交區(qū)域是傳感器面上的一條弦,則對傳感器的激勵強(qiáng)度曲線即脈沖響應(yīng)曲線為傳感器面一端到另一端的一族平行弦的弦長，時域上是一個半橢圓；h（t, 9）=（4ccosG/ndsine）sqrt[l-（2t/tw）2,-tw/2<t<tw/2..recTOC\o"1-5"\h\z0,其它 （3）其中，D是圓形接收換能器的直徑，c為空氣中聲速，tw是入射平面波從傳感器面的一端開始掃過整個傳感器面所用的時間。根據(jù)傳感器的互易原理，發(fā)射傳感器發(fā)射角對接收信號的脈沖響應(yīng)可寫為：h（t，9）=h （t,9）=h（t） （4）rec trans 9所以，當(dāng)測距超聲波信號垂直入射傳感器時，h°（t）表現(xiàn)為全通濾波器，接收信號波形與兩傳感器互相對準(zhǔn)時的接受信號波形基本一致，而當(dāng)發(fā)射和接收出現(xiàn)越來越大的角度時，接收波形等效于脈沖響應(yīng)為一越