摘要:本文利用溫度傳感器進行溫度的測量,通過測量當前的溫度對超聲波傳播速度進行補償?shù)玫揭粋�穩(wěn)定、精確的超聲波測距系統(tǒng),闡述了設(shè)計原理和具體實現(xiàn)的方法。關(guān)鍵詞:測距;超聲波;溫度傳感器超聲波測距原理超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知,測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間,根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見,超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L
摘 要: 本文利用
溫度傳感器進行溫度的測量,通過測量當前的溫度對
超聲波傳播速度進行補償?shù)玫揭粋�穩(wěn)定、精確的超聲波測距系統(tǒng),闡述了設(shè)計原理和具體實現(xiàn)的方法。
關(guān)鍵詞: 測距;超聲波;溫度傳感器
超聲波測距原理
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知,測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物
反射回來的時間,根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見,超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。
測距的公式表示為：L=C×T
式中L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。
超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量,雖然目前的測距量程上能達到百米,但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。
由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點,是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度,但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因,提高測量時間差到微秒級,以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后,我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。
超聲波測距誤差分析
根據(jù)超聲波測距公式L=C×T,可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。
時間誤差
當要求測距誤差小于1mm時,假設(shè)已知超聲波速度C=
344m/s (20℃室溫),忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t&
lt;(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907
ms。
在超聲波的傳播速度是準確的前提下,測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級,就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的
12MHz
晶體作時鐘基準的89C51單片機
定時器能方便的計數(shù)到1μs的精度,因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。
超聲波傳播速度誤差
超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響,空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快,而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系,如表1所示。
已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：
式中： r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值,對空氣為1.
40,
R —氣體普適常量,8.314kg·
mol-1·K-1,
M—氣體分子量,空氣為28.8×
10-3kg·mol-1,
T —絕對溫度,273K+T℃。
近似公式為：C=C0+0.607×T℃
式中：C0為零度時的聲波速度332m/s;
T為實際溫度(℃)。
對于超聲波測距精度要求達到1mm時,就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例如當溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s,溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量
100m距離所引起的測量誤差將達到5m,測量1m誤差將達到5mm。
