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超聲波測距儀設(shè)計(jì)及其應(yīng)用分析及概念
閱讀：1839 發(fā)布時(shí)間：2013-1-24
超聲波測距儀的概念
超聲波測距儀在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)。超聲波能以一定速度定向傳播、遇障礙物后形成反射，利用這一特性，通過測定超聲波往返所用時(shí)間就可計(jì)算出實(shí)際距離，從而實(shí)現(xiàn)無接觸測量物體距離。超聲波測距迅速、方便，且不受光線等因素影響，廣泛應(yīng)用于水文液位測量、建筑施工工地的測量、現(xiàn)場的位置監(jiān)控、振動(dòng)儀車輛倒車障礙物的檢測、移動(dòng)機(jī)器入探測定位等領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式超聲波測距儀通過對超聲波往返時(shí)間內(nèi)輸入到計(jì)數(shù)器特定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而顯示對應(yīng)的測量距離。超聲波測距儀由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收放大電路、計(jì)數(shù)和顯示電路組成。
一、超聲波測距儀設(shè)計(jì)原理
超聲測距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進(jìn)行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí)。通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差T，然后求出距離L。基本的測距公式為：L=（△t/2）＊C
式中L——要測的距離
T——發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間間隔
C——超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s
聲速確定后，只要測出超聲波往返的時(shí)間，即可求得L。
二、數(shù)據(jù)測量和分析
1.數(shù)據(jù)測量與分析
由于實(shí)際測量工作的局限性，后在測量中選取了一米以下的30cm、50cm、70cm、80cm、90cm、100cm六個(gè)距離進(jìn)行測量，每個(gè)距離連續(xù)測量七次，得出測量數(shù)據(jù)（溫度:29℃）,如表所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值一般都比實(shí)際值要大幾厘米，但對于連續(xù)測量的準(zhǔn)確性還是比較高的。
對所測的每組數(shù)據(jù)去掉一個(gè)大值和小值，再求其平均值，用來作為終的測量數(shù)據(jù)，后進(jìn)行比較分析。這樣處理數(shù)據(jù)也具有一定的科學(xué)性和合理性。從表中的數(shù)據(jù)來看，雖然對超聲波進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，但在比較近的距離的測量中其相對誤差也比較大。特別是對30cm和50cm的距離測量上，相對誤差分別達(dá)到了5%和4.8%。但從全部測量結(jié)果看，本設(shè)計(jì)的誤差都比較小，也比較穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)盲區(qū)在22.6cm左右，基本滿足設(shè)計(jì)要求。
2.誤差分析
測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：
?。?）超聲波發(fā)射與接收探頭與被測點(diǎn)存在一定的角度，這個(gè)角度直接影響到測量距離的值;（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是*個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā);（3）由于工具簡陋，實(shí)際測量距離也有誤差。影響測量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等等。
三、超聲波測距儀應(yīng)用分析
采用超聲波測量大氣中的地面距離，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境（如含粉塵）具有一定的適應(yīng)能力。因此，用途極度廣泛。例如:測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等，利用超聲波測量地面距離的方法，是利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，超聲測距儀的優(yōu)點(diǎn)是:儀器造價(jià)比光波測距儀低，省力、操作方便。
超聲測距儀在*的機(jī)器人技術(shù)上也有應(yīng)用，把超聲波源安裝在機(jī)器人身上，由它不斷向周圍發(fā)射超聲波并且同時(shí)接收由障礙物反射回波來確定機(jī)器人的自身位置，用它作為傳感器控制機(jī)器人的電腦等等。由于超聲波易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，它的應(yīng)用價(jià)值己被普遍重視。
總之，由以上分析可看出:利用超聲波測距，在許多方面有很多優(yōu)勢。因此，本課題的研究是非常有實(shí)用和商業(yè)價(jià)值。
超聲波測距儀在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)。超聲波能以一定速度定向傳播、遇障礙物后形成反射，利用這一特性，通過測定超聲波往返所用時(shí)間就可計(jì)算出實(shí)際距離，從而實(shí)現(xiàn)無接觸測量物體距離。超聲波測距迅速、方便，且不受光線等因素影響，廣泛應(yīng)用于水文液位測量、建筑施工工地的測量、現(xiàn)場的位置監(jiān)控、振動(dòng)儀車輛倒車障礙物的檢測、移動(dòng)機(jī)器入探測定位等領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式超聲波測距儀通過對超聲波往返時(shí)間內(nèi)輸入到計(jì)數(shù)器特定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而顯示對應(yīng)的測量距離。超聲波測距儀由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收放大電路、計(jì)數(shù)和顯示電路組成。
一、超聲波測距儀設(shè)計(jì)原理
超聲測距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進(jìn)行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí)。通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差T，然后求出距離L。基本的測距公式為：L=（△t/2）＊C
式中L——要測的距離
T——發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間間隔
C——超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s
聲速確定后，只要測出超聲波往返的時(shí)間，即可求得L。
二、數(shù)據(jù)測量和分析
1.數(shù)據(jù)測量與分析
由于實(shí)際測量工作的局限性，后在測量中選取了一米以下的30cm、50cm、70cm、80cm、90cm、100cm六個(gè)距離進(jìn)行測量，每個(gè)距離連續(xù)測量七次，得出測量數(shù)據(jù)（溫度:29℃）,如表所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值一般都比實(shí)際值要大幾厘米，但對于連續(xù)測量的準(zhǔn)確性還是比較高的。
對所測的每組數(shù)據(jù)去掉一個(gè)大值和小值，再求其平均值，用來作為終的測量數(shù)據(jù)，后進(jìn)行比較分析。這樣處理數(shù)據(jù)也具有一定的科學(xué)性和合理性。從表中的數(shù)據(jù)來看，雖然對超聲波進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，但在比較近的距離的測量中其相對誤差也比較大。特別是對30cm和50cm的距離測量上，相對誤差分別達(dá)到了5%和4.8%。但從全部測量結(jié)果看，本設(shè)計(jì)的誤差都比較小，也比較穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)盲區(qū)在22.6cm左右，基本滿足設(shè)計(jì)要求。
2.誤差分析
測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：
?。?）超聲波發(fā)射與接收探頭與被測點(diǎn)存在一定的角度，這個(gè)角度直接影響到測量距離的值;（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是*個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā);（3）由于工具簡陋，實(shí)際測量距離也有誤差。影響測量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等等。
三、超聲波測距儀應(yīng)用分析
采用超聲波測量大氣中的地面距離，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境（如含粉塵）具有一定的適應(yīng)能力。因此，用途極度廣泛。例如:測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等，利用超聲波測量地面距離的方法，是利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，超聲測距儀的優(yōu)點(diǎn)是:儀器造價(jià)比光波測距儀低，省力、操作方便。
超聲測距儀在*的機(jī)器人技術(shù)上也有應(yīng)用，把超聲波源安裝在機(jī)器人身上，由它不斷向周圍發(fā)射超聲波并且同時(shí)接收由障礙物反射回波來確定機(jī)器人的自身位置，用它作為傳感器控制機(jī)器人的電腦等等。由于超聲波易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，它的應(yīng)用價(jià)值己被普遍重視。
總之，由以上分析可看出:利用超聲波測距，在許多方面有很多優(yōu)勢。因此，本課題的研究是非常有實(shí)用和商業(yè)價(jià)值。