超聲波測距系統設計理論分析及工作原理
2020-12-02 電子發燒友在雙探頭近距離的超聲波測距系統中，存在著測量精度不高的問題，並且距離越近誤差越大，在測量距離小於10cm時，由於探頭之間的相互影響，將導致無法測量該段距離。本系統根據超聲波傳播過程中的疊加原理，通過分析探頭之間幹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的測距盲區。在發射和接收探頭之間距離不同時，分析其對測量誤差的影響，選擇最理想的探頭放置距離，並且結合溫度對聲速傳播的影響，設計出近距離高精度無盲區超聲波測距系統。
超聲波測距由於具有非接觸式測量、不受電磁幹擾、結構簡單、成本低等許多優點，在測距方面得到越來越廣泛的應用。以往的測距方法通常包括以下兩種：
（1）用微分電路監測回波信號的極值電壓，該點的斜率為0，並記下從加載激勵信號到該時刻的時間，從而得到被測物的距離；
（2）用固定幅值門限的比較電路，當回波信號的電壓達到所設的固定幅值時產生中斷記下該時刻，從而計算出到被測物的距離。這兩種檢測方法的共同缺點是：無法在近距離範圍內測量，因為所監測的特徵在測量盲區內都會出現，從而導致測量結果錯誤。所以對應的一般辦法是捨棄近距離的測量，屏蔽盲區的信號檢測，從而限制該類型超聲探頭在近距離測量方面的應用，而選用更精密昂貴的超聲波探頭應用在近距離測距的場合。
在收發換能器分立的超聲波測距系統中，由於發射探頭和接收探頭的距離較近，發射探頭產生的聲波信號在探頭壁上產生反射和折射現象，從而使接收探頭接收到雜亂的回波信號，且當被測物與超聲波探頭相距較近時，所收到的回波信號是從障礙物反射所得還是從發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用，因此提高近距離超聲波測距系統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超聲波測距的方法，如圖1所示。當被測物與超聲波探頭相距較近時，超聲波探頭之間產生的幹擾波和從被測物反射的回波將會進行疊加作用在接收探頭上。探頭之間距離（R）越小，接收到幹擾信號的幅值越大，距離越大，幅值將越小。根據聲波信號的疊加原理，採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時刻，從而實現近距離的測量。同時，兩探頭之間的距離將會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平衡是提高超聲波在近距離測距精度的關鍵。
1理論分析
在超聲波測距系統中發射探頭髮射的能量由所加激勵信號的能量和探頭本身的物理屬性決定，考慮探頭在半無限大空間中的發射聲場時，由于波源各點至軸線上某點的距離不同，存在聲程差，互相疊加時存在相位差而導致相互幹涉，使得一些地方聲壓相互加強，一些地方相互減弱，因此在聲束軸線上出現極大值和極小值，如式（1）所示。這一系列存在極大和極小值的區域即為近場區［5］。
式中，P為軸線上距離聲源a處聲壓，P0為波型轉換次數，RS為圓盤源半徑，ω為角頻率，t為點源輻射至距離a處的時間，k=2π/λ。聲壓P隨t做周期變化，在超聲波測距過程中只考慮振幅P1：
聲場的指向性，即聲束集中向一個方向輻射的性質，聲束在該點的集中程度反映了該點聲場強度的大小，即可大致地表示該點的聲場強度，指向係數Dc按式（4）定義，在晶片尺寸一定時，可以通過式（5）計算該探頭的擴散角度，從而計算出不同角度點處的聲場強度。
當已知被測物與超聲波換能器連接線的中軸線之間夾角θ的大小時，接收換能器能夠接收到的比例係數，角度越小，接收的能量越大［6］。
通過對以上公式的分析可以得出，在相對探頭不同的距離其他實驗條件相同的條件下，聲波在空氣中的傳播速度一定，對應相同的被測物體時，超聲波探頭接收回波的聲強將與被測物的相對距離成反比。當被測物在測試系統的盲區範圍內時，通過採集回波信號波峰出現的時刻與無被測物在前時的情況進行對比，通過實時地跟蹤回波信號的幅度來判斷出被測物所出現的時刻，進而計算出被測物所處的位置。
為了能夠更精確地測量出從被測物反射的回波信號達到的時刻，希望所監測回波信號幅值變化越大越好，以提高信號的區分度。因為發射探頭和接收探頭距離越近幅值越大，此時幹擾信號產生的幅值信號起主要作用，而從被測物反射的回波信號產生的幅值信號疊加之後會很弱，影響區分度，不宜監測；當發射探頭和接收探頭放置過遠時，雖然幹擾信號引起的幅值變化會很小，從被測物反射的回波信號產生的幅值信號起主要作用，辨識度提高，但是根據圖1，探頭相對距離越遠誤差越大，所以在其中尋找一個合適的探頭相對距離將有利於提高系統的測量精度。
因在不同的環境溫度下聲波的傳播速度是不一樣的，它們之間的關係如式（6）所示，為了減少環境溫度對測量精度的影響，系統中需加入溫度矯正模塊，通過實時地測量當前環境下的溫度，更新計算中聲音的傳播速度，提高測量精度。
c=331.4×1+T/273（6）
2系統組成
為驗證理論分析的正確性，測量系統使用T/R4016超聲波探頭製作了超聲波近距離測距系統，如圖2所示，T/R4016超聲波探頭為廉價型超聲波測距探頭，擴散角為60°，廣泛地用在5m以內的測距領域，其改進型的防水探頭被廣泛地應用在汽車的倒車雷達系統中。在本系統中為實現距離的精確測量，需要使用處理速度較快的微控制器，至少需達到微秒級別才能滿足AD的採集並對回波信號進行處理，本系統中選用的是NXPKL25微控制作為控制核心，該處理晶片為基於Cortex-M0+內核的微控制器，內核運行頻率達48MHz，滿足系統的處理需求。
根據該型號探頭的頻率特性，其諧振頻率為40kHz，所以選擇加載在發射端激勵信號為40kHz的方波信號，且發射的激勵信號以8個周期脈衝為一組。原理圖如圖3所示。將trigger引腳連接到KL25的控制引腳，控制激勵信號的輸入。
因接收器接收到的回波產生的電信號非常微弱，必須進行信號放大，同時為了避免其他雜波的幹擾，在電路中加了通頻為40kHz的帶通濾波器，濾除40kHz左右以外的幹擾信號，處理電路如圖4所示。因為加載的激勵信號為40kHz的方波信號，所以通過放大後的回波信號也是40kHz的調幅波信號，為滿足數模轉換器（ADC）檢測的連續性，對帶通濾波後的信號進行包絡檢波及平滑處理。系統中加入包絡檢波的另一個好處是濾除回波信號的負半軸，雖然幹擾信號與回波信號進行波形疊加時會出現部分減弱的情況，但是包絡檢波器會對疊加後的波形進行平滑處理，得到的回波信號都在正半軸，所以包絡檢波後的信號都是加強後的信號。
系統控制發送激勵信號後，控制器同時打開定時器和ADC模塊，ADC一直採集經過包絡檢波後的回波信號，並且實時地分析所採集的信號，判斷回波信號的最大值是否出現，若出現再判斷是否為從被測物反射的回波信號，若是則關閉定時器，定時器裡的計數值換算為時間即為聲波從發射到返回所經歷的時間。隨後微控制器讀取DS18B20的值，獲得當前環境的溫度，通過式（6）算出當前聲波的傳播速度，通過測得的傳播時間和傳播速度，計算得出超聲波探頭與被測物之間的距離。
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