CN104536003A - 基于多种发射频率的超声波测距方法及其装置 - Google Patents

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郭瑞敏
赵锐
钟晓霞
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    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
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Abstract

本发明涉及超声波测距技术，具体为基于多种发射频率的超声波测距方法及其装置。解决现有超声波测距技术测量精度低的问题。该超声波测距方法包括在一个测量周期内的超声波脉冲信号的发射和接收，所发射的超声波脉冲信号为8个不同频率的超声波脉冲信号，在每个频率的超声波脉冲信号的发射时刻开始计时，在接收到对应频率的回波信号时停止计时，这样，最多得到8个时间值，将这些时间值取算术平均值得到这个测量周期的超声波脉冲信号传播时间的计算值t0，带入公式s=170t0中，即得到距待测物体的距离s。本发明所述方法及装置测距精度高。技术方案设计新颖、独特，适用于各种距离测量领域。

Description

基于多种发射频率的超声波测距方法及其装置
技术领域
本发明涉及超声波测距技术，具体为基于多种发射频率的超声波测距方法及其装置。
背景技术
利用传感器测量距离的方法一般有激光测距、超声波测距和电涡流测距三种。电涡流测距传感器灵敏度高，测量范围有限（1～ 10mm），仅适于近距离测试。激光测距传感器适用于远距离测量，测量范围可达几公里甚至更远，其对环境要求较高，烟雾、灰尘等对激光传播影响大。超声波传感器测距测量范围2cm-7m，往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。
频率在20KHz以上的声波称为超声波，由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，常用于距离的测量。它主要应用在物距测量、物位测量、倒车雷达、液面高度测量、机器人的研制等。其测距原理为：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物即返回，超声波接收器收到反射波即停止计时，空气中声速340m/s，根据计时器记录时间 t ，发射点距离障碍物 s=170t。
传统的超声波测距传感器都只发射同一频率的超声波，通过一个微秒级的周期性触发信号触发，传感器内部循环发出8个频率相同40KHz的脉冲信号，同时计时器开始计时，当超声波接收器一端检测有回波信号输出回响信号时停止计时。此方法的可见误差在于不能确定接收到的回波信号是来自8个循环信号中的哪一个，只要检测到任一个回波信号，即停止计时，当待测物体表面不平整或不垂直于超声波传输方向时，接收到的回波信号有可能是上一个发射周期中的超声波脉冲信号经多个表面反射回来，且传感器无法识别回波信号，此时得到的记录时间 t并非实际中超声波脉冲经历传感器与待测物体间一个来回的时间，此时产生的误差较大。待测距离由回波信号时间计算，因此所测距离误差较大。
常见的减小测量误差，提高测量精度的方法即在待测物体上安装反射器，使其尽量与超声波信号方向垂直，提高测量精度。即便如此测量精度提高程度仍有限。
发明内容
本发明解决现有超声波测距技术测量精度低的问题，提供一种基于多种发射频率的超声波测距方法及其装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于多种发射频率的超声波测距方法，包括在一个测量周期内的超声波脉冲信号的发射和接收，所发射的超声波脉冲信号为8个不同频率的超声波脉冲信号，在每个频率的超声波脉冲信号的发射时刻开始计时，在接收到对应频率的回波信号时停止计时，这样，最多得到8个时间值，将这些时间值取算术平均值得到这个测量周期的超声波脉冲信号传播时间的计算值t0，带入公式s=170 t0中，即得到距待测物体的距离s。
基于多种发射频率的超声波测距装置，包括控制单元MCU，控制单元MCU的信号输出端连接超声波发生电路，超声波发生电路与超声波发生器连接；控制单元MCU的信号输入端连接超声波接收电路，超声波接收电路与超声波接收器连接；在控制单元MCU发出的触发脉冲信号的控制下，超声波发生电路在每一个触发脉冲信号周期内产生8个不同频率的超声波脉冲信号并施加于超声波发生器，使超声波发生器发出8个不同频率的超声波脉冲，控制单元MCU在每个频率的超声波脉冲的发射时刻开始计时并存储8个超声波脉冲的频率值；超声波接收器接收到对应频率的回波信号并传送给超声波接收电路，超声波接收电路测算得到对应频率的回波信号的频率值并传送给控制单元MCU，控制单元MCU在接收到对应频率的回波信号的频率值时停止计时，这样，控制单元MCU最多得到8个时间值，将这些时间值取算术平均值得到这个触发脉冲信号周期的超声波脉冲信号传播时间的计算值t0，带入公式s=170 t0中，即得到距待测物体的距离s。
本发明所述方法及装置测距精度高。技术方案设计新颖、独特，适用于各种距离测量领域。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图；
图2为控制单元MCU发出的触发脉冲信号；
图3为超声波发生电路产生的超声波脉冲信号；
图4为超声波发生器的结构示意图。
图中：1－控制单元MCU，2－超声波发生电路，3－超声波接收电路，4－超声波发生器，5－超声波接收器，6－待测物体，41－压电晶片，42－共振片，43－电极。
具体实施方式
基于多种发射频率的超声波测距方法，包括在一个测量周期内的超声波脉冲信号的发射和接收，所发射的超声波脉冲信号为8个不同频率的超声波脉冲信号，在每个频率的超声波脉冲信号的发射时刻开始计时，在接收到对应频率的回波信号时停止计时，这样，最多得到8个时间值，将这些时间值取算术平均值得到这个测量周期的超声波脉冲信号传播时间的计算值t0，带入公式s=170 t0中，即得到距待测物体的距离s。
基于多种发射频率的超声波测距装置，包括控制单元MCU1，控制单元MCU的信号输出端连接超声波发生电路2，超声波发生电路2与超声波发生器4连接；控制单元MCU1的信号输入端连接超声波接收电路3，超声波接收电路3与超声波接收器5连接；在控制单元MCU发出的触发脉冲信号的控制下，超声波发生电路在每一个触发脉冲信号周期内产生8个不同频率的超声波脉冲信号并施加于超声波发生器，使超声波发生器发出8个不同频率的超声波脉冲，控制单元MCU在每个频率的超声波脉冲的发射时刻开始计时并存储8个超声波脉冲的频率值；超声波接收器接收到对应频率的回波信号并传送给超声波接收电路，超声波接收电路测算得到对应频率的回波信号的频率值并传送给控制单元MCU，控制单元MCU在接收到对应频率的回波信号的频率值时停止计时，这样，控制单元MCU最多得到8个时间值，将这些时间值取算术平均值得到这个触发脉冲信号周期的超声波脉冲传播时间的计算值t0，带入公式s=170 t0中，即得到距待测物体的距离s。
超声波发生器4包括8种固有频率的压电晶片41和共振片42，压电晶片41上设有电极43。电极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片产生共振，带动共振片，产生超声波。

Claims (3)

1.基于多种发射频率的超声波测距方法，包括在一个测量周期内的超声波脉冲信号的发射和接收，其特征在于，所发射的超声波脉冲信号为8个不同频率的超声波脉冲信号，在每个频率的超声波脉冲信号的发射时刻开始计时，在接收到对应频率的回波信号时停止计时，这样，最多得到8个时间值，将这些时间值取算术平均值得到这个测量周期的超声波脉冲信号传播时间的计算值t0，带入公式s=170 t0中，即得到距待测物体的距离s。
2.基于多种发射频率的超声波测距装置，包括控制单元MCU（1），控制单元MCU的信号输出端连接超声波发生电路（2），超声波发生电路（2）与超声波发生器（4）连接；控制单元MCU（1）的信号输入端连接超声波接收电路（3），超声波接收电路（3）与超声波接收器（5）连接；其特征在于，在控制单元MCU发出的触发脉冲信号的控制下，超声波发生电路在每一个触发脉冲信号周期内产生8个不同频率的超声波脉冲信号并施加于超声波发生器，使超声波发生器发出8个不同频率的超声波脉冲，控制单元MCU在每个频率的超声波脉冲的发射时刻开始计时并存储8个超声波脉冲的频率值；超声波接收器接收到对应频率的回波信号并传送给超声波接收电路，超声波接收电路测算得到对应频率的回波信号的频率值并传送给控制单元MCU，控制单元MCU在接收到对应频率的回波信号的频率值时停止计时，这样，控制单元MCU最多得到8个时间值，将这些时间值取算术平均值得到这个触发脉冲信号周期的超声波脉冲传播时间的计算值t0，带入公式s=170 t0中，即得到距待测物体的距离s。
3.根据权利要求2所述的基于多种发射频率的超声波测距装置，其特征在于，超声波发生器（4）包括8种固有频率的压电晶片（41）和共振片（42），压电晶片（41）上设有电极（43）。
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