CN110703233B - 超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法 - Google Patents

超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法，包括：采集环境的温度、湿度及气压；根据温度和湿度计算得到大气吸收衰减系数a；将在基准温度、基准湿度及基准气压下计算得到的衰减率作为基准衰减率Gc0，将在基准衰减率Gc0下的补偿值作为基准V0p值；根据计算得到的衰减率计算补偿电压，即V0p补偿电压=10^(V0p衰减率/20)*基准V0p值，其中，V0p衰减率=Gc–Gc0，Gc为衰减率。用于消除环境温湿度的变化导致的回波强弱变化，保证超声波传感器批量生产的一致性，保证车载终端对超声波探测范围和探测精度的稳定性。

Description

超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法
技术领域
本发明涉及一种超声波传感器的灵敏度补偿方法，具体地涉及一种超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法，用于消除环境温湿度的变化导致的回波强弱变化。
背景技术
随着汽车行业的持续发展，各种车载终端层出不穷，测距功能是各终端设备的基本功能之一，超声波凭借近距离内衰减小、反射能力强，对光照、色彩、电磁场不敏感、成本低等特点，其应用范围也不断扩大。而在障碍物有一定距离时，传感器的感度（灵敏度）也即回波强度，受环境温湿度的影响较大，直接关乎其探测范围和探测精度两项重要指标的稳定性。
为了确保传感器的探测范围和探测精度符合客户要求，生产过程中如严格控制生产环境的温湿度参数，则易造成制造成本的大幅增加，降低产品的竞争优势。
公告号为CN 107719360 A的专利公开了一种泊车辅助系统的灵敏度补偿方法，包括如下步骤：A、预先采集超声波传感器随着温度而变化的灵敏度数据，得出常规灵敏度-温度曲线；B、超声波传感器随着温度的变化，理想回波增益始终保持不变，得出理想回波增益-温度曲线；C、将常规灵敏度-温度曲线与理想回波增益-温度曲线进行分析对比，计算得出不同环境温度下的回波增益补偿系数，得出回波增益补偿系数-温度曲线；D、实际应用中，温度传感器实时采集超声波传感器的工作温度传递至控制单元，控制单元由回波增益补偿系数-温度曲线得出当前回波增益补偿系数，控制单元由常规灵敏度-温度曲线得出当前常规灵敏度，将回波增益补偿系数乘以当前常规灵敏度得出补偿后的工作灵敏度。该方法应用于实际应用中，并且仅仅在不同温度下对超声波传感器进行灵敏度补偿，没有考虑湿度的影响，事实上环境湿度对超声波传感器的灵敏度的影响也是很大的。此外，该方法不能用于传感器在生产过程中对灵敏度进行补偿。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法，用于消除环境温湿度的变化导致的回波强弱变化，保证超声波传感器批量生产的一致性，保证车载终端对超声波探测范围和探测精度的稳定性。
本发明的技术方案是：
一种超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法，包括以下步骤：
S01：采集环境的温度、湿度及气压；
S02：根据温度和湿度计算得到大气吸收衰减系数a；
S03：将在基准温度、基准湿度及基准气压下计算得到的衰减率作为基准衰减率Gc0，将在基准衰减率Gc0下的补偿值作为基准V0p值；
S04：根据计算得到的衰减率计算补偿电压，即V0p补偿电压=10^(V0p衰减率/20)*基准V0p值，其中，V0p衰减率=Gc–Gc0，Gc为衰减率。
优选的技术方案中，所述步骤S02中根据不同的温度和湿度计算得到不同的大气吸收衰减系数a，包括以下步骤：
计算温度变化系数Tw=(T+273.15)/T0，其中T为温度，T0为基准温度，T0=293.15K；
计算吸收衰减系数aer=1.6*10^(-10)*Tw^0.5*(F*1000)^2/(Pa/Pr)，其中，F为工作频率，单位为kHz，Pa为气压，Pr为基准气压，Pr=101.325kpa；
计算饱和蒸气压swp=10^(-6.8346*(273.16/(T+273.15))^1.261+4.6151)；
计算水蒸气分子浓度h=swp*H*Pa/Pr，其中，H为湿度；
计算氧氮弛豫频率frO=Pa/Pr*[24+4.04*10^4*h*(0.02+h)/(0.391+h)]，氮弛豫频率frN=Pa/Pr*Tw^(-0.5)*[9+280*h*exp{-4.170*[Tw^(-1/3)-1]}]；
计算氧分子最大衰减系数(aλ)maxO=1.559*0.209*(2239.1/(T+273.15))^2*EXP(-2239.1/(T+273.15))，氮分子最大衰减系数(aλ)maxN=1.559*0.781*(3352/(T+273.15))^2*EXP(-3352/(T+273.15))；
计算氧分子吸收衰减系数avibO=(aλ)maxO*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frO)*(1+(F*1000/frO)^2)^(-1))，氮分子吸收衰减系数avibN=(aλ)maxN*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frN)*(1+(F*1000/frN)^2)^(-1))，其中c为声速，c=343.2*Tw^0.5；
计算大气吸收衰减系数a=aer+avibO+avibN。
优选的技术方案中，所述步骤S03中衰减率Gc=Rp+20*log(Rp75)，其中Rp=-a*(L-0.15)*2，L为障碍物距离；Rp75为障碍物反射能。
本发明还公开了一种超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿装置，包括：采集模块，用于采集环境的温度、湿度及气压；
第一计算模块，根据温度和湿度计算得到大气吸收衰减系数a；
基准值计算模块，将在基准温度、基准湿度及基准气压下计算得到的衰减率作为基准衰减率Gc0，将在基准衰减率Gc0下的补偿值作为基准V0p值；
第二计算模块，根据计算得到的衰减率计算补偿电压，即V0p补偿电压=10^(V0p衰减率/20)*基准V0p值，其中，V0p衰减率=Gc–Gc0，Gc为衰减率。
优选的技术方案中，所述第一计算模块的计算包括以下步骤：
计算温度变化系数Tw=(T+273.15)/T0，其中T为温度，T0为基准温度，T0=293.15K；
计算吸收衰减系数aer=1.6*10^(-10)*Tw^0.5*(F*1000)^2/(Pa/Pr)，其中，F为工作频率，单位为kHz，Pa为气压，Pr为基准气压，Pr=101.325kpa；
计算饱和蒸气压swp=10^(-6.8346*(273.16/(T+273.15))^1.261+4.6151)；
计算水蒸气分子浓度h=swp*H*Pa/Pr，其中，H为湿度；
计算氧氮弛豫频率frO=Pa/Pr*[24+4.04*10^4*h*(0.02+h)/(0.391+h)]，氮弛豫频率frN=Pa/Pr*Tw^(-0.5)*[9+280*h*exp{-4.170*[Tw^(-1/3)-1]}]；
计算氧分子最大衰减系数(aλ)maxO=1.559*0.209*(2239.1/(T+273.15))^2*EXP(-2239.1/(T+273.15))，氮分子最大衰减系数(aλ)maxN=1.559*0.781*(3352/(T+273.15))^2*EXP(-3352/(T+273.15))；
计算氧分子吸收衰减系数avibO=(aλ)maxO*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frO)*(1+(F*1000/frO)^2)^(-1))，氮分子吸收衰减系数avibN=(aλ)maxN*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frN)*(1+(F*1000/frN)^2)^(-1))，其中c为声速，c=343.2*Tw^0.5；
计算大气吸收衰减系数a=aer+avibO+avibN。
优选的技术方案中，所述第二计算模块中计算衰减率Gc=Rp+20*log(Rp75)，其中Rp=-a*(L-0.15)*2，L为障碍物距离；Rp75为障碍物反射能。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明可以适用于生产过程中，依据生产环境动态补偿传感器的感度调整值，避免人为对生产环境的调控，降低了制造成本。
2、可用于消除环境温湿度的变化导致的回波强弱变化，从而确保超声波传感器批量生产的一致性，保证车载终端对超声波探测范围和探测精度的稳定性。
3、本发明中可以适用于使用过程中，在超声波传感器ECU中，可通过采集环境的温湿度，实时改变感度阈值的判定范围，有助于在不同环境下，确保探测范围的一致性，防止误报的发生。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿装置的原理示意图；
图2为本发明超声波传感器大气吸收衰减系数与温湿度的关系曲线；
图3为本发明超声波传感器感度补偿值与大气吸收衰减系数的关系曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。
如图1所示，本发明可以应用于生产过程中的感度值，也可以用于使用过程中，在超声波传感器ECU中，可通过采集环境的温湿度，实时改变感度阈值的判定范围，有助于在不同环境下，确保探测范围的一致性，防止误报的发生。包括温度湿度气压采集装置，根据本发明的补偿方法计算感度（灵敏度）补偿值，根据感度补偿值和感度基准值计算得到感度值。将感度值与采集得到的真实感度值比较，通过显示器显示，调整超声波传感器的感度。
例如通过温湿度测试仪对生产环境的温湿度及气压进行监控，生产时上位机软件每隔5min从温湿度测试仪中采集一次环境信息，并自动录入到上位机软件中进行感度调整值的温湿度补偿计算，如图1所示，包括以下步骤：
1.数据输入
T=温度[℃]，H=湿度[%]，Pa=气压[kpa]，Pr=基准气压=101.325[kpa]；
F=工作频率=58.0[kHz]，T0=基准温度=293.15[K]
L=障碍物距离=2.5[m]，H0=基准湿度=50.0[%]
2.计算式
温度变化系数：
Tw=(T+273.15)/T0
吸收衰减系数：
aer=1.6*10^(-10)*Tw^0.5*(F*1000)^2/(Pa/Pr)
饱和蒸气压：
swp=10^(-6.8346*(273.16/(T+273.15))^1.261+4.6151)
水蒸气分子浓度：
h=swp*H*Pa/Pr
氧氮弛豫频率：
frO=Pa/Pr*[24+4.04*10^4*h*(0.02+h)/(0.391+h)]
frN=Pa/Pr*Tw^(-0.5)*[9+280*h*exp{-4.170*[Tw^(-1/3)-1]}]
最大衰减系数：
(aλ)maxO=1.559*0.209*(2239.1/(T+273.15))^2*EXP(-2239.1/(T+273.15))
(aλ)maxN=1.559*0.781*(3352/(T+273.15))^2*EXP(-3352/(T+273.15))
声速计算：
c=343.2*Tw^0.5
吸收衰减系数--氧氮：
avibO=(aλ)maxO*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frO)*(1+(F*1000/frO)^2)^(-1))
avibN=(aλ)maxN*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frN)*(1+(F*1000/frN)^2)^(-1))
大气吸收衰减系数：
a=aer + avibO + avibN
将不同温湿度条件参数代入上述推导公式，得出如图2所示关系曲线。
衰减率Gc计算：
Rp=- a*(L - 0.15)*2
Rp75=障碍物反射能
Gc=Rp + 20*LOG(Rp75)
3.数据输出
选取基准温度、基准湿度及基准气压计算，得出的衰减率作为基准衰减率Gc0，此时的感度调整值设定为基准V0p值，则
V0p衰减率 = Gc – Gc0
V0p补偿电压=10^(V0p衰减率/20)*基准V0p值
将不同大气吸收衰减系数a代入上述推导公式，得出如图3所示关系曲线，从图2及图3的对应关系，即可得出不同温湿度条件下感度的补偿值大小。
以上采集的温湿度、计算的大气吸收衰减系数及感度调整补偿值等信息可通过上位机软件保存下来，便于后续数据统计分析及追溯。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落出所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：采集环境的温度、湿度及气压；
S02：根据温度和湿度计算得到大气吸收衰减系数a；
S03：将在基准温度、基准湿度及基准气压下计算得到的衰减率作为基准衰减率Gc0，将在基准衰减率Gc0下的补偿值作为基准V0p值；
S04：根据计算得到的衰减率计算补偿电压，即V0p补偿电压＝10^(V0p衰减率/20)*基准V0p值，其中，V0p衰减率＝Gc–Gc0，Gc为衰减率。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法，其特征在于，所述步骤S02中根据不同的温度和湿度计算得到不同的大气吸收衰减系数a，包括以下步骤：
计算温度变化系数Tw＝(T+273.15)/T0，其中T为温度，T0为基准温度，T0＝293.15K；
计算吸收衰减系数aer＝1.6*10^(-10)*Tw^0.5*(F*1000)^2/(Pa/Pr)，其中，F为工作频率，单位为kHz，Pa为气压，Pr为基准气压，Pr＝101.325kpa；
计算饱和蒸气压swp＝10^(-6.8346*(273.16/(T+273.15))^1.261+4.6151)；
计算水蒸气分子浓度h＝swp*H*Pa/Pr，其中，H为湿度；
计算氧弛豫频率frO＝Pa/Pr*[24+4.04*10^4*h*(0.02+h)/(0.391+h)]，氮弛豫频率frN＝Pa/Pr*Tw^(-0.5)*[9+280*h*exp{-4.170*[Tw^(-1/3)-1]}]；
计算氧分子最大衰减系数(aλ)maxO＝1.559*0.209*(2239.1/(T+273.15))^2*EXP(-2239.1/(T+273.15))，氮分子最大衰减系数(aλ)maxN＝1.559*0.781*(3352/(T+273.15))^2*EXP(-3352/(T+273.15))；
计算氧分子吸收衰减系数avibO＝(aλ)maxO*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frO)*(1+(F*1000/frO)^2)^(-1))，氮分子吸收衰减系数avibN＝(aλ)maxN*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frN)*(1+(F*1000/frN)^2)^(-1))，其中c为声速，c＝343.2*Tw^0.5；
计算大气吸收衰减系数a＝aer+avibO+avibN。
3.根据权利要求1所述的超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿方法，其特征在于，所述步骤S04中衰减率Gc＝Rp+20*log(Rp75)，其中Rp＝-a*(L-0.15)*2，L为障碍物距离；Rp75为障碍物反射能。
4.一种超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿装置，其特征在于，包括：采集模块，用于采集环境的温度、湿度及气压；
第一计算模块，根据温度和湿度计算得到大气吸收衰减系数a；
基准值计算模块，将在基准温度、基准湿度及基准气压下计算得到的衰减率作为基准衰减率Gc0，将在基准衰减率Gc0下的补偿值作为基准V0p值；
第二计算模块，根据计算得到的衰减率计算补偿电压，即V0p补偿电压＝10^(V0p衰减率/20)*基准V0p值，其中，V0p衰减率＝Gc–Gc0，Gc为衰减率。
5.根据权利要求4所述的超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿装置，其特征在于，所述第一计算模块的计算包括以下步骤：
计算温度变化系数Tw＝(T+273.15)/T0，其中T为温度，T0为基准温度，T0＝293.15K；
计算吸收衰减系数aer＝1.6*10^(-10)*Tw^0.5*(F*1000)^2/(Pa/Pr)，其中，F为工作频率，单位为kHz，Pa为气压，Pr为基准气压，Pr＝101.325kpa；
计算饱和蒸气压swp＝10^(-6.8346*(273.16/(T+273.15))^1.261+4.6151)；
计算水蒸气分子浓度h＝swp*H*Pa/Pr，其中，H为湿度；
计算氧弛豫频率frO＝Pa/Pr*[24+4.04*10^4*h*(0.02+h)/(0.391+h)]，氮弛豫频率frN＝Pa/Pr*Tw^(-0.5)*[9+280*h*exp{-4.170*[Tw^(-1/3)-1]}]；
计算氧分子最大衰减系数(aλ)maxO＝1.559*0.209*(2239.1/(T+273.15))^2*EXP(-2239.1/(T+273.15))，氮分子最大衰减系数(aλ)maxN＝1.559*0.781*(3352/(T+273.15))^2*EXP(-3352/(T+273.15))；
计算氧分子吸收衰减系数avibO＝(aλ)maxO*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frO)*(1+(F*1000/frO)^2)^(-1))，氮分子吸收衰减系数avibN＝(aλ)maxN*(F*1000/c)*(2*(F*1000/frN)*(1+(F*1000/frN)^2)^(-1))，其中c为声速，c＝343.2*Tw^0.5；
计算大气吸收衰减系数a＝aer+avibO+avibN。
6.根据权利要求4所述的超声波传感器灵敏度的温度湿度补偿装置，其特征在于，所述第二计算模块中计算衰减率Gc＝Rp+20*log(Rp75)，其中Rp＝-a*(L-0.15)*2，L为障碍物距离；Rp75为障碍物反射能。
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