田文成，周西峰，郭前岗

　　（南京邮电大学 自动化学院，江苏 南京 210023）

　　摘要：针对第一个超声回波前沿难以捕捉，提出了增益可编程的回波信号检测方法，进行多次增益校正，使得比较器能捕捉到首个回波前沿。针对测量超声波波速的补偿方法单一，提出了标准挡板，分别测量固定距离的传播时间和待测距离的传播时间，通过两者之比得出待测距离。实验结果表明，所提出的改进方法能够实现恶劣环境下的高精度测距。

　　关键词：标准挡板；增益可编程；超声波测距

0引言

　　随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已广泛应用在多个领域［12］。超声波因其定向发射、指向性好、抗干扰能力较强、结构简单、安装和维护方便、成本较低、易于实现等特点，再结合微电子技术实现的距离测量系统，具有处理简单、速度快等优势［3］。

　　本文提出了一种基于标准挡板的增益可变超声回波信号前沿检测方法，使超声波在空气中的传播速度精确计算，并且使比较器捕捉到第一个超声回波信号前沿来提高行程时间精度，从而提高测距精度。

1超声波测距原理

　　超声波是频率在20 kHz以上的声波，属于机械波［45］。超声波测距方法中，渡越时间检测法精度较高，电路实现较简单，故本文采用此方法［6］。

　　超声波换能器发射面浸入介质1，驱动电路驱动超声波换能器向介质1发射超声波并开始计时，当遇到与介质1物理特性差异明显的另一种介质（介质2）时，将产生较强的回波，该回波传到换能器，驱动其产生谐振并产生电信号，通过放大、滤波、比较后被测距电路捕获，停止计时。计算超声波往返所用时间t，测量待测点的声速v，即待测距离L［7］。

　　超声波测距原理如图1所示。根据数学几何关系，测量距离L表示为L=Scosα，夹角α表示为α=arcsinHS，超声波传播距离S表示为S=12vt，由此推出L=12vtcos(arcsinHS)。当测量距离L远大于H时，则可近似为L=12vt。

2系统设计

　　超声波测距系统主要包括主控模块、超声波发射模块、超声波接收模块、液晶显示模块、电源供电模块、标准挡板，总体方案如图2所示。

     2.1超声波发射模块

　　超声波液位测量使用收发一体式超声波换能器，选用43 mm的小束角超声波传感器，中心频率为40 kHz，波束角约为10°，测量范围为20~10 000 mm。其发射电路如图3所示。单片机P11引脚通过软件编程产生每周期8个激励脉冲信号，控制三极管Q1的通断，由电源直接驱动变压器的初级线圈。在变压器副边线圈上，并联两个反向二极管D1和D2，防止超声回波信号经线圈与地形成回路，超声回波信号幅值为mV级，二极管导通电压为07 V，因此回波信号只能进入接收模块。

　　2.2超声波接收模块

　　2.2.1预处理电路

　　预处理电路对回波信号的放大电路如图4所示。电容C3和C4对信号进行简单滤波处理；二极管D3和D4将发射信号点位钳制在07 V，mV级的回波信号不受影响进入后续电路；电阻R6用于调偏流，防止饱和失真；三极管Q2对信号功率放大后进入滤波放大电路。

　　2.2.2滤波放大电路

　　滤波放大电路如图5所示。放大电路采用二级放大器，其中，第一级放大电路必须有足够大的输入阻抗，因此采用高输入阻抗的运算放大器LM224；R9用于调节直流偏置电压；R12并联的可变电阻R10用于调试。第二级放大电路采用可编程增益放大器PGA112，可变增益为1、2、4、8、16、32、64、128，该芯片与单片机接口只需要连接片选信号、时钟信号和数据信号，通信方式为SPI总线方式。

　　回波信号含大量噪声信号，一部分是超声波换能器接收到空气中的杂波信号，主要是空气中低频噪声；一部分是电路的高频噪声，如电源、晶体管、运放等，因此设计带通滤波器。

　　2.2.3电压比较电路

　　滤波放大电路输出信号通过第一级LMV385进行电压跟随，由第二级LMV385进行电压比较，当输入电位高于设定电位值时，输出低电平，该电平作为单片机外部触发信号产生中断，结束计时。电压比较电路如图6所示。

3误差分析

　　根据超声波测距公式可知，主要误差来自两个方面：声速测量误差、超声波信号传播时间误差。基于此，从以下两个方面对误差进行研究分析，并提出改进方法。

　　3.1声速测量误差

　　参考文献［8］提出了温度、湿度双补偿方法，笔者认为实际空气并不是完全干燥的，对空气平均摩尔质量和比热比值进行修正，上述方法虽然考虑了温度和湿度对声速的影响，但实际环境条件下，声速还受风速、压强等因素影响，因此测量结果仍存在误差。基于环境的不确定性，本文提出利用挡板实时测量当前声速，将影响因素都考虑在内，从而提高测量精度，且适应复杂环境。其挡板安装如图7所示。

　　原理是预先设定挡板到超声波换能器的固定距离，如设定1 m，则换能器1、2同时发射超声波，换能器1发射的超声波遇挡板反射，换能器2发射的超声波遇水面反射，分别对挡板发射时间和水面反射时间进行测量，两个时间比值即换能器到达水面的距离。

　　3.2超声信号传播时间误差

　　由于超声波换能器的机械惯性，其发射声波起振逐步由小到大，首波信号的幅值很小，且随距离变化而变化；另在反射面反射过程中，信号会损失一部分，因此用常规方法很难捕捉到回波前沿。本文提出通过多次增益变化判断第一回波前沿返回时间，思路如下：

　　（1）对信号设置1倍增益，检测信号传播时间t1；对信号设置2倍增益，检测信号传播时间t2。以此类推，每次增益为前一次的2倍，分别检测信号传播时间t3、t4、t5、t6、t7、t8；

　　（2）求相邻增益之间时间差值，即t12=t1-t2，…，t78=t7-t8；

　　（3）判断差值与换能器谐振周期的大小关系，从而确定第一回波前沿位置，即从t12开始若有2个连续差值小于谐振频率的一半，则这3个相邻传播时间都是检测到1个周期内，因此可以判断检测到第一回波前沿。判断依据是根据回波波形，除第一回波周期最大幅值远大于噪声幅值外，后续回波周期最大幅值不会远大于前一个周期。此依据是经验总结，理论研究尚未成熟。

4实验结果分析

　　为验证系统的测量精度，进行实验研究。实验时，环境温度为25℃，超声波换能器频率为40 kHz，在2 000 mm范围内，水位检测数据与标准液位变化值作对比。

　　由于测量误差具有随机性，在程序设计时可让系统进行3次测量，并对3次测量结果求平均值来减小系统随机误差。测量数据如表1所示。

　　通过实验数据可知，超声波液位测距结果个别数据超出了4 mm检测精度，但通过3次采集求平均值可以减小测量误差。最终，检测均值与标准液位值之间的差均小于4 mm，实现了高精度测距，满足了工农业生产中的测量需求。

　　5结论

　　在全面分析超声波测距引起误差原因的基础上，提出了通过增加标准挡板提高超声波信号速度的测量精度，通过多次增益校正确定第一超声回波前沿，并设计了相应的硬件电实际距离路和软件程序，通过实验证实了该系统测距精度的改进。

　　在测量超声波传输时间过程中，超声波换能器的谐振频率、比较器的阈值、可编程增益放大器的增益级数以及每级之间的倍数是测量分辨率的3个重要因素。所述研究方法还有待于改进，例如标准测距的校正，即如何应对测量超声波换能器与挡板之间的距离不等于实际距离1 m的情况。

参考文献

　　［1］ 刘赟, 王波, 刘智超. 一种基于超声测距技术的超声液位仪设计［J］. 传感器与微系统, 2014, 33(9): 9193.

　　［2］ 李恒, 徐小力, 左云波. 移动机器人超声波测距避障系统设计［J］. 现代电子技术, 2014, 37(3): 157159, 162.

　　［3］ 冯诺. 超声手册［M］. 南京: 南京大学出版社, 1999.

　　［4］ 吴付祥, 赵政, 黄金星，等. 非接触式的超声波流量检测技术研究［J］. 电子技术应用, 2014, 40(6): 8284, 88.

　　［5］ 张攀峰, 王玉萍, 张健，等. 带有温度补偿的超声波测距仪的设计［J］. 计算机测量与控制, 2012, 20(6), 17171719, 1732.

　　［6］ 彭映成, 钱海, 曹龙，等. 一种高精度超声测距系统设计［J］. 电子测量技术, 2013, 36(10): 1618, 30.

　　［7］ 李戈, 孟祥杰, 王晓华，等. 国内超声波测距研究应用现状［J］. 测绘科学, 2011, 36(4): 6062.

　　［8］ 林伟, 梁家宁, 李才安. 便携式多功能超声波测距仪的设计与实现［J］. 电子测量技术, 2008, 31(1): 9193.