超聲波測距精度的影響因素分析

超聲波測距精度的影響因素分析

0測距儀器的應(yīng)用隨著自動(dòng)測量和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲測量距離理論成熟，超聲測量距離應(yīng)用也非常廣泛。目前，我國的測距儀器在測量精度上存在較大差距。本文綜述了超聲波測距的原理及環(huán)境對測量準(zhǔn)確度的影響,指出了在儀器設(shè)計(jì)時(shí)提高測量準(zhǔn)確度的途徑,重點(diǎn)闡述利用軟件修正誤差的方法。1媒體質(zhì)中聲波的傳播聲波是媒質(zhì)中傳播的質(zhì)點(diǎn)的位置、壓強(qiáng)和密度對相應(yīng)靜止值的擾動(dòng)。高于2×104Hz時(shí)的機(jī)械波稱為超聲波,媒質(zhì)包括氣體、液體和固體。流體中的聲波常稱為壓縮波或壓強(qiáng)波,對一般流體媒質(zhì)而言,聲波是一種縱波,傳播速度為c=sqrt(E/ρ),(1)式中E為媒質(zhì)的彈性模量,kg/mm2;ρ為媒質(zhì)的密度,kg/mm3;E為復(fù)數(shù),其虛數(shù)部分代表損耗,;c也是復(fù)數(shù),其實(shí)數(shù)部分代表傳播速度,虛數(shù)部分則與衰減常數(shù)(每單位距離強(qiáng)度或幅度的衰減)有關(guān),m/s。測量后者可求得媒質(zhì)中的損耗。聲波的傳播與媒質(zhì)的彈性模量密度、內(nèi)耗以及形狀大小(產(chǎn)生折射、反射、衍射等)有關(guān)。利用聲波反射原理,已知聲速c,測量發(fā)射波與反射波的時(shí)間間隔t,可得到發(fā)射點(diǎn)與反射點(diǎn)的距離S為S=c·t/2.(2)2氣體中聲速的影響從式(1)可知,聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān),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(qiáng)、溫度、濕度等因素會(huì)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(huì)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(dòng)是機(jī)械的,聲波在傳播中帶有機(jī)械能量,聲能傳播的途中逐漸轉(zhuǎn)變成熱,從而出現(xiàn)隨距離而逐漸衰減的現(xiàn)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(shù)。2.1溫度-聲速增量圖cθ=c0sqrt(1+(θ/273)).(3)根據(jù)式(3)測量的溫度-聲速圖和溫度-聲速增量圖如圖1和圖2所示。由式(3)和圖2可見,當(dāng)溫度θ從0～40℃變化時(shí),將會(huì)產(chǎn)生7%的聲速變化,因此,為了提高測量準(zhǔn)確度,計(jì)算時(shí)必須根據(jù)溫度進(jìn)行聲速修正。工業(yè)測量中,一般用公式計(jì)算超聲波在空氣中的傳播速度,即cθ=331+0.6θ.(4)2.2濕度加聲波傳播過程中,聲壓的幅度由于媒質(zhì)中聲吸收而衰減,聲強(qiáng)隨頻率增高衰減增加,在給定的頻率時(shí)衰減是濕度的函數(shù)。文獻(xiàn)指出:產(chǎn)生最大衰減時(shí)的濕度值視頻率而不同,例如:頻率大于125kHz時(shí),最大衰減發(fā)生在濕度為100%RH處,而在頻率40kHz時(shí),最大衰減發(fā)生在濕度50%RH處。3設(shè)計(jì)儀器電路3.1振幅點(diǎn)和振幅頻率超聲傳感器等效為1個(gè)電感器、2個(gè)電容器和1個(gè)電阻器串并聯(lián)電路如圖3所示。圖中,左右兩側(cè)呈現(xiàn)容性,中間呈現(xiàn)感性,是一種典型高Q值晶體振子特性。在fS和fP處出現(xiàn)2個(gè)阻抗最低點(diǎn),因此,有2個(gè)諧振峰。發(fā)送傳感器在串聯(lián)諧振峰有最高靈敏度,接收傳感器在并聯(lián)諧振峰有最高靈敏度。電路激勵(lì)和接收頻率要考慮在此諧振點(diǎn)工作,此外,由于通常需要大功率驅(qū)動(dòng),考慮用諧振升壓推動(dòng)是必要的。超聲波發(fā)送應(yīng)考慮因素有:(1)量程范圍;(2)目標(biāo)距離和目標(biāo)反射情況。超聲波頻率高對探測較小目標(biāo)有利,文獻(xiàn)指出有效反射目標(biāo)應(yīng)大于至少10個(gè)波長以上,對于非垂直于發(fā)射波束的目標(biāo),大波束角的傳感器通?？梢垣@得更強(qiáng)的回波信號(hào),而波束角越窄對于減小散射波的干擾越有利。3.2最小測距分辨力在室溫下,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(shí)間關(guān)系為d=3452td=3452t也就是每計(jì)時(shí)1μs對應(yīng)被測距離0.172mm,表1表示了幾種計(jì)數(shù)頻率對應(yīng)的最小測距分辨力。采用1MHz的計(jì)數(shù)頻率測時(shí),對應(yīng)最小分辨力為0.1720mm。這種分辨力可以滿足大多數(shù)工業(yè)測量場合。3.3遠(yuǎn)目標(biāo)回波信號(hào)幅度小、信噪比低接收傳感器的感應(yīng)信號(hào)通常是mV級(jí),需要經(jīng)過上百近千倍的增益放大,然后再整形。采用調(diào)諧放大器比直接放大器雖然復(fù)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(kuò)散損失,聲強(qiáng)隨目標(biāo)距離增大而衰減,在量程范圍內(nèi),最近目標(biāo)和最遠(yuǎn)目標(biāo)的回波幅度可能相差1個(gè)數(shù)量級(jí)。遠(yuǎn)目標(biāo)回波信號(hào)幅度小、信噪比低,可能導(dǎo)致整形失敗或者是越過門檻的時(shí)刻前后移動(dòng),這是影響大多數(shù)測距裝置重復(fù)性和測量準(zhǔn)確度的一個(gè)原因。以40kHz聲波頻率為例,采用1MHz計(jì)數(shù)頻率,若越過門檻的時(shí)刻前后移動(dòng)僅僅2個(gè)周期,就會(huì)產(chǎn)生50μs誤差,相應(yīng)測距誤差為0.1720mm×50=8.6mm。放大器采用AGC自動(dòng)增益控制是必須的,但仍然未能解決問題,因?yàn)锳GC電路(包括放大器本身)對信號(hào)的階躍響應(yīng)有滯后,瞬時(shí)跟蹤性不佳,而回波信號(hào)恰恰是爆發(fā)性的。這里提示出不應(yīng)該對近程的強(qiáng)回波信號(hào)和遠(yuǎn)程的弱回波信號(hào)采用同一個(gè)門檻電壓,恒定的門檻閾值相對強(qiáng)信號(hào)偏低,本可以被壓制的噪聲信號(hào)不能壓制。而對弱信號(hào)而言,相對又太高,更容易被疊加的噪聲信號(hào)誤觸發(fā)。本文作者采用的方法是專門產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間減小的閾值信號(hào)。3.4提高換能器發(fā)射頻率在一般測量場合下,盲區(qū)存在無關(guān)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(xué)試驗(yàn)室內(nèi)的水下地形測量等。盲區(qū)產(chǎn)生原因?qū)τ趩螕Q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(qū)。單換能器產(chǎn)生盲區(qū)的主要原因是:由于電聲換能器的電氣阻尼振蕩和機(jī)械阻尼振動(dòng)共同作用下,產(chǎn)生余振阻尼衰減信號(hào),在換能器由發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)后,首先接收到的信號(hào)是這種余振信號(hào),在此信號(hào)衰減到足夠小的時(shí)間內(nèi),換能器接收到的回波信號(hào)與阻尼衰減信號(hào)疊加混淆,使電路鑒別不出真正的回波,如圖4。當(dāng)換能器安裝不良時(shí),在方波信號(hào)的高次諧波激勵(lì)下,極易引發(fā)自激產(chǎn)生阻尼振蕩,因此,電聲換能器安裝的固有機(jī)械振動(dòng)頻率應(yīng)盡可能避開激勵(lì)頻率。雙換能器在發(fā)射波結(jié)束后,接收換能器接收到的第一個(gè)波是串?dāng)_直通波(也稱泄漏波),它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發(fā)射換能器直接達(dá)到接收換能器而造成的,如圖5所示。改善的措施可以減少發(fā)射波串的長度,發(fā)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(fā)射波串的長度過短將使得發(fā)射換能器激振達(dá)不到最大值或不能被激振。發(fā)射波頻率加高受到換能器特性限制,同時(shí),發(fā)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測量誤差曲線經(jīng)過多次測量發(fā)現(xiàn),在同一溫度下測量結(jié)果有如下規(guī)律:(1)對于同一距離進(jìn)行多次測量所測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性很好,1.5m范圍內(nèi)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。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),本文采集了20℃時(shí)從40cm到150cm每隔2cm的距離的測量誤差,即,40,42,44,…,148,150cm時(shí)的測量誤差,共56個(gè)值,其中,每一個(gè)值都是多次測量所得的平均誤差值。由這56個(gè)值組成了誤差函數(shù)表。理論上講,當(dāng)采集的點(diǎn)足夠多時(shí),就可以根據(jù)逐點(diǎn)查表法達(dá)到非線性的完全修正,修正后誤差盡可能小。但這樣數(shù)據(jù)量會(huì)非常大。因此,本文在采集的這56組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用分段線性插值法進(jìn)行誤差曲線函數(shù)表的數(shù)據(jù)再生,從而減少了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。根據(jù)這些誤差值繪出的測量誤差曲線,如圖6所示。這里的誤差包含兩種:一種是固定誤差——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(huán)境和距離的變化而變化;另一種是可變誤差——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(shí)間與超聲波實(shí)際到達(dá)探頭的時(shí)間不同引起的。因此,在除溫度以外其他環(huán)境因數(shù)相對穩(wěn)定的情況下,測量誤差可表示為δθ=δ0+θ1·cθ,(5)式中δθ為θ時(shí)的總的測量誤差;δ0為固定誤差(不隨溫度和距離而變化);θ1為越過整形門檻與實(shí)際超聲波到達(dá)的時(shí)間差;cθ為超聲波在溫度θ時(shí)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(shù)變化的情況下,對于同一距離不同溫度而言,t1基本不變。因此,根據(jù)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(yīng)的誤差,就可以求出δ0。本文求出δ0=9mm。因此,可以根據(jù)20℃的誤差曲線和式(5)得出與距離對應(yīng)的t1值為t1=δ20?9c20=(δ20?9)mm343m/s.(6)t1=δ20-9c20=(δ20-9)mm343m/s.(6)由式(3)和式(5)可以得出δθ-δ20=t1(cθ-c20)=0.6t1(θ-20).這樣得出不同溫度θ時(shí)的誤差修正值δθ=δ20+0.6t1(θ?20)=δ20+0.6(θ?20)(δ20?9)×10?3343,(7)δθ=δ20+0.6t1(θ-20)=δ20+0.6(θ-20)(δ20-9)×10-3343,(7)式中δ20為20℃時(shí)的誤差修正值。根據(jù)20℃時(shí)的誤差函數(shù)表和式(7),就可以對任意溫度下任意距離(測量范圍內(nèi))的結(jié)果進(jìn)行修正,25℃時(shí),5組不同距離的誤差數(shù)值如表2。從表2中看出:在1.5m范圍內(nèi)測量誤差不超過1mm。5測量靈敏度和