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測距儀器的應用隨著自動測量和微型計算機技術的發(fā)展，超聲測量距離理論成熟，超聲測量距離應用也非常廣泛。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)境對測量準確度的影響,指出了在儀器設計時提高測量準確度的途徑,重點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)點的位置、壓強和密度對相應靜止值的擾動。高于2×104Hz時的機械波稱為超聲波,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為復數(shù),其虛數(shù)部分代表損耗,;c也是復數(shù),其實數(shù)部分代表傳播速度,虛數(shù)部分則與衰減常數(shù)(每單位距離強度或幅度的衰減)有關,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。利用聲波反射原理,已知聲速c,測量發(fā)射波與反射波的時間間隔t,可得到發(fā)射點與反射點的距離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,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、溫度、濕度等因素會引起密度變化,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。聲波擾動是機械的,聲波在傳播中帶有機械能量,聲能傳播的途中逐漸轉變成熱,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,當溫度θ從0～40℃變化時,將會產(chǎn)生7%的聲速變化,因此,為了提高測量準確度,計算時必須根據(jù)溫度進行聲速修正。工業(yè)測量中,一般用公式計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,聲強隨頻率增高衰減增加,在給定的頻率時衰減是濕度的函數(shù)。文獻指出:產(chǎn)生最大衰減時的濕度值視頻率而不同,例如:頻率大于125kHz時,最大衰減發(fā)生在濕度為100%RH處,而在頻率40kHz時,最大衰減發(fā)生在濕度50%RH處。3設計儀器電路3.1振幅點和振幅頻率超聲傳感器等效為1個電感器、2個電容器和1個電阻器串并聯(lián)電路如圖3所示。圖中,左右兩側呈現(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個阻抗最低點,因此,有2個諧振峰。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。電路激勵和接收頻率要考慮在此諧振點工作,此外,由于通常需要大功率驅(qū)動,考慮用諧振升壓推動是必要的。超聲波發(fā)送應考慮因素有:(1)量程范圍;(2)目標距離和目標反射情況。超聲波頻率高對探測較小目標有利,文獻指出有效反射目標應大于至少10個波長以上,對于非垂直于發(fā)射波束的目標,大波束角的傳感器通?？梢垣@得更強的回波信號,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間關系為d=3452td=3452t也就是每計時1μs對應被測距離0.172mm,表1表示了幾種計數(shù)頻率對應的最小測距分辨力。采用1MHz的計數(shù)頻率測時,對應最小分辨力為0.1720mm。這種分辨力可以滿足大多數(shù)工業(yè)測量場合。3.3遠目標回波信號幅度小、信噪比低接收傳感器的感應信號通常是mV級,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散損失,聲強隨目標距離增大而衰減,在量程范圍內(nèi),最近目標和最遠目標的回波幅度可能相差1個數(shù)量級。遠目標回波信號幅度小、信噪比低,可能導致整形失敗或者是越過門檻的時刻前后移動,這是影響大多數(shù)測距裝置重復性和測量準確度的一個原因。以40kHz聲波頻率為例,采用1MHz計數(shù)頻率,若越過門檻的時刻前后移動僅僅2個周期,就會產(chǎn)生50μs誤差,相應測距誤差為0.1720mm×50=8.6mm。放大器采用AGC自動增益控制是必須的,但仍然未能解決問題,因為AGC電路(包括放大器本身)對信號的階躍響應有滯后,瞬時跟蹤性不佳,而回波信號恰恰是爆發(fā)性的。這里提示出不應該對近程的強回波信號和遠程的弱回波信號采用同一個門檻電壓,恒定的門檻閾值相對強信號偏低,本可以被壓制的噪聲信號不能壓制。而對弱信號而言,相對又太高,更容易被疊加的噪聲信號誤觸發(fā)。本文作者采用的方法是專門產(chǎn)生一個隨時間減小的閾值信號。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,如水力學試驗室內(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械阻尼振動共同作用下,產(chǎn)生余振阻尼衰減信號,在換能器由發(fā)射狀態(tài)轉入接收狀態(tài)后,首先接收到的信號是這種余振信號,在此信號衰減到足夠小的時間內(nèi),換能器接收到的回波信號與阻尼衰減信號疊加混淆,使電路鑒別不出真正的回波,如圖4。當換能器安裝不良時,在方波信號的高次諧波激勵下,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械振動頻率應盡可能避開激勵頻率。雙換能器在發(fā)射波結束后,接收換能器接收到的第一個波是串擾直通波(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,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果有如下規(guī)律:(1)對于同一距離進行多次測量所測數(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)過多次實驗,本文采集了20℃時從40cm到150cm每隔2cm的距離的測量誤差,即,40,42,44,…,148,150cm時的測量誤差,共56個值,其中,每一個值都是多次測量所得的平均誤差值。由這56個值組成了誤差函數(shù)表。理論上講,當采集的點足夠多時,就可以根據(jù)逐點查表法達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)量會非常大。因此,本文在采集的這56組數(shù)據(jù)的基礎上,采用分段線性插值法進行誤差曲線函數(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間與超聲波實際到達探頭的時間不同引起的。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際超聲波到達的時間差;cθ為超聲波在溫度θ時的傳播速度。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℃時的誤差修正值。根據(jù)20℃時的誤差函數(shù)表和式(7),就可以對任意溫度下任意距離(測量范圍內(nèi))的結果進行修正,25℃時,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