摘 要隨著科學的發(fā)展，人們對測距的要求越來越高，但是傳統(tǒng)的超聲波測距不可避免的存在這樣或那樣的局限性，這就要求我們不停對超聲波測距技術(shù)進行改進。這篇文章主要對超聲波測距的影響因素進行了分析探討，并在此基礎上提出一些改進的方法。

【關(guān)鍵詞】超聲測速 高精度 改進方法

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，對測距的研究和應用日益增多，比如激光測距和超聲波測距等等，其中超聲波測速存在很大的優(yōu)勢，有非常強的指向性，而且能量消耗慢，在介質(zhì)中傳播速度快，有非常強的環(huán)境適應能力，不易被干擾，而被廣泛應用，多應用于近距離非接觸式測量，如機器人定位，管道長度的測量等應用中，同時在漫反射中和惡劣環(huán)境中也有應用。超聲波還具有非接觸性和非破壞性的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢決定了它普遍適應性，它在醫(yī)療，材料科學等領(lǐng)域中也是不可或缺的。

1 超聲波簡介

頻率被定義為單位時間內(nèi)物體振動的次數(shù)，它的單位是赫茲，人耳能聽到的范圍是20Hz～20000Hz，而超聲波是人耳無法聽到的，其頻率范圍在20000Hz以上，超聲波有其獨特的優(yōu)點，方向性好，能量高，穿透性好。這都是因為超聲波擁有極大的能量，因為物體的震動頻率越高，能量就越大，超聲波可以在極短的時間內(nèi)震碎一只高腳酒杯。而超聲波加濕器就是利用這一原理來工作的。

2 超聲波測距的現(xiàn)狀與不足

超聲波在實際應用中有很多局限性，如在超聲波測距中的某些瑕疵，這就影響到它的檢測精確度。首先，超聲波的傳播介質(zhì)是空氣，在空氣傳播中會造成衰減，且衰減程度比較大，而每次的測量距離不一樣，就會造成回撥信號的起伏，出現(xiàn)測量誤差；其次，是接收方面的局限性，超聲波在接收過程中會被展寬，這就會影響超聲波脈沖回撥的穩(wěn)定性，進而影響測距的分辨率造成測量結(jié)果不準。另外，外界環(huán)境因素也是影響因素之一，這些因素造成超聲波的使用有非常大的局限性，使其不能廣泛應用。

2.1 國內(nèi)外對超聲波測距的理論研究

最初的超聲研究起源于1879年的氣哨實驗，1912年，在一艘豪華游輪觸礁沉沒后，人們提出用超聲波測距。在1988年，廈門大學童峰，許天源，許天增，合力建立了起伏模型，對檢測窗進行了算法，均取得了較好的效果。

超聲波測量系統(tǒng)通過幾十年的發(fā)展，吸收了其他多種學科的知識體系，如電子電路技術(shù)，傳感器技術(shù)等，現(xiàn)已成為一門綜合性的研究，它的研究成果不斷被應用于生產(chǎn)，生活中，為人們提供了科學技術(shù)的保障。

3 超聲波測速原理

首先使用超聲波測試儀向被測物體發(fā)出物理射線，同時開始計時該射線在空氣中進行傳播，遇到障礙物就會反彈回來，這時候由接收器對反射回來的超聲波進行接收，同時停止計時，對檢測出的時間和速度進行記錄，用速度、時間和距離之間的關(guān)系，就能很容易的計算出距離。

被測速離的計算公式為：D=?ct

式中：c為超聲波傳播速度

t為從發(fā)射到接收所需要的時間

常用的超聲波測速方法：

目前，有很多的測距方案，比如激光測距，超聲波與其相比，時間測量精確度較低，而且超聲波測距系統(tǒng)簡單易得，計算簡單，而且不受空氣，天氣能見度的影響，在各種場合都能應用。

（1）相位檢測法：一種是通過發(fā)射不同頻率的超聲波來實現(xiàn)的，另一種是通過單一的超聲波探頭進行檢測，此方法測距適用于一周期以內(nèi)，且精度很高。

（2）幅值檢測法：先發(fā)射一定頻率的超聲波，接收到的超聲波的脈沖強度，可以用反射進行檢測，進而求得目標距離，這種方法由于空氣中雜質(zhì)太多，精確度和穩(wěn)定性易受影響。

（3）時間差法：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，并且開始計時，碰到障礙物時立即返回來，超聲波接收到信號，立即停止計時。通過計算檢測得到的時間，和當時的聲速，就可以計算出距離。

4 超聲波測距的影響因素

4.1 溫度因素

在超聲波速度影響因素中，溫度是主要因素之一，不同的溫度會給超聲波傳送速度造成很大的影響，且這種影響是成正比例的，溫度越高，傳播速率就越高，反之亦然，所以使用超聲波測距時，應注意溫度的影響，并給予溫度補償，尤其是在測速過程中，對溫度的測量要非常精確，充分排除溫度因素影響。減少測速誤差。

4.2 超聲波發(fā)射與傳播角度的因素

當超聲波發(fā)射時，會存在一個角度，它與被測物體不一定是垂直90度的，那么它射出光束和接收到反射回來的光就存在誤差，在后期要注意校正。

4.3 衰減的因素

在空氣中，超聲波在空氣介質(zhì)中，傳播中受到擴散，散射的影響，其強度隨著傳播的增加而衰減。

4.4 其他因素

在超聲波測距的時候，它的環(huán)境和測量工具不可避免的存在誤差，無法達到高精度的測量。比如障礙物的質(zhì)地不同，所以超聲波被反射回來的力量也不同，而且所采取的換能器的不同，其靈敏度和時間差的計算也會對測量結(jié)果產(chǎn)生不可避免的影響。

5 超聲波測距的改進方法

超聲波測距系統(tǒng)的組成比較復雜，是由單片機，超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，觸摸按鍵控制電路，和溫度補償電路，顯示電路組成的，缺一不可，其中單片機是系統(tǒng)核心。在測量過程中，空氣會對結(jié)果產(chǎn)生影響，因此要加強對外部空氣的實時檢測，校準超聲波的傳播速度。在超聲波的接收模塊里，要增加時間增益補償電路和峰值時間檢測電路，信號通過處理，可正確檢測時間，提高測量的精確度。電容觸摸按鍵作為控制按鍵，取代了機電開關(guān)，避免了控制按鍵由于環(huán)境的影響而導致檢測的失效。

超聲波測距系統(tǒng)可改進方面：

（1）環(huán)境的溫度，要加強對環(huán)境溫度的監(jiān)測。

（2）要盡量選擇高精度的儀器，避免誤差。

（3）出現(xiàn)誤差時，要考慮多方面的因素。

6 結(jié)束語

這次通過對超聲波測距的原理及測量過程進行分析，發(fā)現(xiàn)其存在的問題，并提出來了解決方案，在其過程中，發(fā)現(xiàn)超聲波測速具有廣泛的前景，要加強對其的研究和談討?，F(xiàn)將在這次論文中的理論總結(jié)如下：

超聲波測速中存在的誤差有多種原因，包括設計方案的原因，環(huán)境的問題等。因此，為了得到準確的測量數(shù)據(jù)，必須要結(jié)合實際情況，排除多余因素，減少誤差。

參考文獻

[1]楊秋菊.高精度超聲波測距系統(tǒng)的研究與設計[D].成都：西南石油大學，2014（12）.

[2]李天嬌.關(guān)于超聲波測距的研究[D].成都：成都理工大學，2015（06）.

作者簡介

郝春吉（1966-），男，吉林省吉林市人。北華大學副教授。主要研究方向為智能信息處理。

作者單位

北華大學 吉林省吉林市 132013