鄭琦1，劉龍2，劉強3

　　(1.江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330000; 2.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌，330000;3.華南師范大學(xué) 華南先進(jìn)光電子研究院，廣東 廣州 510006)

　　摘要：在雙探頭近距離的超聲波測距系統(tǒng)中，存在著測量精度不高的問題，并且距離越近誤差越大，在測量距離小于10 cm時，由于探頭之間的相互影響，將導(dǎo)致無法測量該段距離。本系統(tǒng)根據(jù)超聲波傳播過程中的疊加原理，通過分析探頭之間干擾波與從被測物反射的回波的相互疊加，從而消除在近距離測量時的測距盲區(qū)。在發(fā)射和接收探頭之間距離不同時，分析其對測量誤差的影響，選擇最理想的探頭放置距離，并且結(jié)合溫度對聲速傳播的影響，設(shè)計出近距離高精度無盲區(qū)超聲波測距系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：超聲波;近距離;高精度;無盲區(qū);探頭放置

　　中圖分類號：TP216文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.023

　　引用格式：鄭琦，劉龍，劉強.基于KL25的高精度無盲區(qū)超聲波測距系統(tǒng)［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（10）：81-84.

0引言

　　超聲波測距由于具有非接觸式測量、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等許多優(yōu)點，在測距方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。以往的測距方法通常包括以下兩種：（1）用微分電路［1］監(jiān)測回波信號的極值電壓，該點的斜率為0，并記下從加載激勵信號到該時刻的時間，從而得到被測物的距離；（2）用固定幅值門限的比較電路［2］，當(dāng)回波信號的電壓達(dá)到所設(shè)的固定幅值時產(chǎn)生中斷記下該時刻，從而計算出到被測物的距離。這兩種檢測方法的共同缺點是：無法在近距離范圍內(nèi)測量，因為所監(jiān)測的特征在測量盲區(qū)內(nèi)［3］都會出現(xiàn)，從而導(dǎo)致測量結(jié)果錯誤。所以對應(yīng)的一般辦法是舍棄近距離的測量，屏蔽盲區(qū)的信號檢測，從而限制該類型超聲探頭在近距離測量方面的應(yīng)用，而選用更精密昂貴的超聲波探頭應(yīng)用在近距離測距的場合。

　　在收發(fā)換能器分立的超聲波測距系統(tǒng)中，由于發(fā)射探頭和接收探頭的距離較近，發(fā)射探頭產(chǎn)生的聲波信號在探頭壁上產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，從而使接收探頭接收到雜亂的回波信號［4］，且當(dāng)被測物與超聲波探頭相距較近時，所收到的回波信號是從障礙物反射所得還是從發(fā)射探頭得到將很難分辨，故限制了其在近距離測量方面的應(yīng)用，因此提高近距離超聲波測距系統(tǒng)的測量精度具有重大的研究意義。

　　本文提出了一種近距離高精度無盲區(qū)超聲波測距的方法，如圖1所示。當(dāng)被測物與超聲波探頭相距較近時，超聲波探頭之間產(chǎn)生的干擾波和從被測物反射的回波將會進(jìn)行疊加作用在接收探頭上。探頭之間距離（R）越小，接收到干擾信號的幅值越大，距離越大，幅值將越小。根據(jù)聲波信號的疊加原理，采集接收到回波信號的幅值，通過分析回波信號的幅值信號，得出從被測物反射回波的到達(dá)時刻，從而實現(xiàn)近距離的測量。同時，兩探頭之間的距離將會影響分析回波信號的分辨能力，所以對兩探頭之間的距離找一個平衡是提高超聲波在近距離測距精度的關(guān)鍵。

1理論分析

　　在超聲波測距系統(tǒng)中發(fā)射探頭發(fā)射的能量由所加激勵信號的能量和探頭本身的物理屬性決定，考慮探頭在半無限大空間中的發(fā)射聲場時，由于波源各點至軸線上某點的距離不同，存在聲程差，互相疊加時存在相位差而導(dǎo)致相互干涉，使得一些地方聲壓相互加強，一些地方相互減弱，因此在聲束軸線上出現(xiàn)極大值和極小值，如式（1）所示。這一系列存在極大和極小值的區(qū)域即為近場區(qū)［5］。

　　式中，P為軸線上距離聲源a處聲壓，P0為波型轉(zhuǎn)換次數(shù)，RS為圓盤源半徑，ω為角頻率，t為點源輻射至距離a處的時間，k=2π/λ。聲壓P隨t做周期變化，在超聲波測距過程中只考慮振幅P1：

　　聲場的指向性，即聲束集中向一個方向輻射的性質(zhì)，聲束在該點的集中程度反映了該點聲場強度的大小，即可大致地表示該點的聲場強度，指向系數(shù)Dc按式（4）定義，在晶片尺寸一定時，可以通過式（5）計算該探頭的擴散角度，從而計算出不同角度點處的聲場強度。

　　當(dāng)已知被測物與超聲波換能器連接線的中軸線之間夾角 θ的大小時，接收換能器能夠接收到的比例系數(shù)，角度越小，接收的能量越大［6］。

　　通過對以上公式的分析可以得出，在相對探頭不同的距離其他實驗條件相同的條件下，聲波在空氣中的傳播速度一定，對應(yīng)相同的被測物體時，超聲波探頭接收回波的聲強將與被測物的相對距離成反比。當(dāng)被測物在測試系統(tǒng)的盲區(qū)范圍內(nèi)時，通過采集回波信號波峰出現(xiàn)的時刻與無被測物在前時的情況進(jìn)行對比，通過實時地跟蹤回波信號的幅度來判斷出被測物所出現(xiàn)的時刻，進(jìn)而計算出被測物所處的位置。

　　為了能夠更精確地測量出從被測物反射的回波信號達(dá)到的時刻，希望所監(jiān)測回波信號幅值變化越大越好，以提高信號的區(qū)分度。因為發(fā)射探頭和接收探頭距離越近幅值越大，此時干擾信號產(chǎn)生的幅值信號起主要作用，而從被測物反射的回波信號產(chǎn)生的幅值信號疊加之后會很弱，影響區(qū)分度，不宜監(jiān)測；當(dāng)發(fā)射探頭和接收探頭放置過遠(yuǎn)時，雖然干擾信號引起的幅值變化會很小，從被測物反射的回波信號產(chǎn)生的幅值信號起主要作用，辨識度提高，但是根據(jù)圖1，探頭相對距離越遠(yuǎn)誤差越大，所以在其中尋找一個合適的探頭相對距離將有利于提高系統(tǒng)的測量精度。

　　因在不同的環(huán)境溫度下聲波的傳播速度是不一樣的，它們之間的關(guān)系如式（6）所示，為了減少環(huán)境溫度對測量精度的影響，系統(tǒng)中需加入溫度矯正模塊，通過實時地測量當(dāng)前環(huán)境下的溫度，更新計算中聲音的傳播速度，提高測量精度。

　　c=331.4×1+T/273（6）

2系統(tǒng)組成

　　為驗證理論分析的正確性，測量系統(tǒng)使用T/R4016超聲波探頭制作了超聲波近距離測距系統(tǒng)，如圖2所示，T/R4016超聲波探頭為廉價型超聲波測距探頭，擴散角為60°，廣泛地用在5 m以內(nèi)的測距領(lǐng)域，其改進(jìn)型的防水探頭被廣泛地應(yīng)用在汽車的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中［7］。在本系統(tǒng)中為實現(xiàn)距離的精確測量，需要使用處理速度較快的微控制器，至少需達(dá)到微秒級別才能滿足AD的采集并對回波信號進(jìn)行處理，本系統(tǒng)中選用的是NXP KL25微控制作為控制核心，該處理芯片為基于Cortex-M0+內(nèi)核的微控制器，內(nèi)核運行頻率達(dá)48 MHz，滿足系統(tǒng)的處理需求。

　　根據(jù)該型號探頭的頻率特性，其諧振頻率為40 kHz，所以選擇加載在發(fā)射端激勵信號為40 kHz的方波信號，且發(fā)射的激勵信號以8個周期脈沖為一組。原理圖如圖3所示。將trigger引腳連接到KL25的控制引腳，控制激勵信號的輸入。

　　因接收器接收到的回波產(chǎn)生的電信號非常微弱，必須進(jìn)行信號放大，同時為了避免其他雜波的干擾，在電路中加了通頻為40 kHz的帶通濾波器，濾除40 kHz左右以外的干擾信號，處理電路如圖4所示。因為加載的激勵信號為40 kHz的方波信號，所以通過放大后的回波信號也是40 kHz的調(diào)幅波信號，為滿足數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）檢測的連續(xù)性，對帶通濾波后的信號進(jìn)行包絡(luò)檢波及平滑處理。系統(tǒng)中加入包絡(luò)檢波的另一個好處是濾除回波信號的負(fù)半軸，雖然干擾信號與回波信號進(jìn)行波形疊加時會出現(xiàn)部分減弱的情況，但是包絡(luò)檢波器會對疊加后的波形進(jìn)行平滑處理，得到的回波信號都在正半軸，所以包絡(luò)檢波后的信號都是加強后的信號。

　　系統(tǒng)控制發(fā)送激勵信號后，控制器同時打開定時器和ADC模塊，ADC一直采集經(jīng)過包絡(luò)檢波后的回波信號，并且實時地分析所采集的信號，判斷回波信號的最大值是否出現(xiàn)，若出現(xiàn)再判斷是否為從被測物反射的回波信號，若是則關(guān)閉定時器，定時器里的計數(shù)值換算為時間即為聲波從發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時間。隨后微控制器讀取DS18B20的值，獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度，通過式（6）算出當(dāng)前聲波的傳播速度，通過測得的傳播時間和傳播速度，計算得出超聲波探頭與被測物之間的距離。

3實驗與分析

　　使用上節(jié)描述的測試系統(tǒng)，測試溫度為22.5℃，障礙物選用20 cm×20 cm×2 mm光滑印制電路板，使障礙物中心對準(zhǔn)超聲波換能器連線的中心。當(dāng)無障礙物在前時，通過微控制器發(fā)送激勵信號，用示波器觀察包絡(luò)檢波后的回波信號。通過對比多次相同激勵下的回波信號，發(fā)現(xiàn)波形基本無變化，表明在超聲波探頭固定的條件下，接收換能器接收到因發(fā)射換能器產(chǎn)生的干擾信號是固定的，且系統(tǒng)穩(wěn)定。

　　為了得到最佳的超聲波探頭放置距離，需要經(jīng)過多組實驗通過對比回波信號的幅值，在誤差盡量小、辨識度可接受的范圍內(nèi)選取最佳的超聲波探頭放置距離。因本組實驗為探究超聲波發(fā)射和接收探頭最佳的放置位置，所以可以直接將示波器的信號輸入探頭接在實驗系統(tǒng)的包絡(luò)檢波模塊的輸出端，用示波器直接觀察測試系統(tǒng)加載激勵信號后的回波信號。

　　本組實驗共分6小組，按超聲波發(fā)射和接收探頭之間的距離進(jìn)行分組，間距即圖1中R值分別為0 cm, 0.5 cm, 1 cm, 1.5 cm, 2 cm, 2.5 cm；同時每組實驗采集兩次數(shù)據(jù)，一次為無被測物在前的回波信號，一次為被測物在超聲波探頭正前方1 cm時的回波信號，如圖5中幅值小的回波信號線為無被測物在前時的波形，幅值大的回波信號線為被測物離超聲波探頭1 cm時的波形。參照圖1為使測量的誤差更小，必須使探頭之間的距離即R值越小越好，同時為使測量系統(tǒng)對回波信號的幅值有更高的辨識度，幅值差最好大于等于1 V，所以從測試的結(jié)果可以得出，超聲波發(fā)射和接收探頭之間的距離取0.5 cm最佳。

　　在測得超聲波發(fā)射和接收探頭之間的最佳放置距離為0.5 cm后，為測試系統(tǒng)對距離測量的準(zhǔn)確性，本組試驗中，固定超聲波發(fā)射和接收探頭之間的距離為0.5 cm，改變探頭與被測物的相對距離，通過分析接收到的

　　回波信號，找出回波信號最大值到達(dá)的時刻；通過微控制器集成的ADC模塊可以輕易地采集到回波的電壓信號，在軟件中識別出回波信號的幅值，結(jié)合回波信號的一些特征，可以很好地分辨出被測物的距離。

　　通過系統(tǒng)中的溫度傳感器DS18B20測得當(dāng)前的溫度為22.5℃,根據(jù)式（6）計算得出當(dāng)前的聲波速度為344.386 m/s，結(jié)合測得的回波信號到達(dá)的時刻，通過串口將測得結(jié)果輸出。測得結(jié)果如表1所示。

　　通過表1中的結(jié)果可知，該方法在近距離的測量方面是可行的，雖然距離越近相對誤差越大，但測得的結(jié)果仍然在誤差允許范圍之內(nèi)，并且相對距離越大相對誤差越小。在研究了探頭之間的最佳放置距離之后，系統(tǒng)測量的偶然誤差減小了，因為提高了幅值信號的區(qū)分度，將有利于分析回波信號中的幅值信號，同時探究探頭之間的放置最短距離，可以減小系統(tǒng)誤差。

4結(jié)論

　　本研究提供了一種近距離高精度無盲區(qū)超聲波測距系統(tǒng)，在提出一種消除超聲波測距盲區(qū)的基礎(chǔ)上，探究了提高系統(tǒng)測量精度的方法，通過探究雙探頭超聲波測距系統(tǒng)中探頭之間最佳的放置距離，同時輔以溫度補償，使測量系統(tǒng)消除了測距盲區(qū)同時提高了測量精度，增加了廉價超聲波探頭在近距離范圍的測量，擴大了其應(yīng)用的范圍，相比以前提出的測量方法有了很大的改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 隴昕翼，周杏鵬，張文錦.基于 P89V51RB2的超聲波包絡(luò)檢測測距系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計算機，2008，21（11）：83-86.

　　［2］ 臧懷剛，趙保軍，陶然.大量程小盲區(qū)智能超聲波液位儀［J］. 儀器儀表學(xué)報,2006,27(6):638-642.

　?。?］ 郗曉田，代清友，田聯(lián)房.減小超聲測距盲區(qū)方法的研究［J］. 微計算機信息，2009，25（12）：272-272，298.

　?。?］ 丁輝.計算超聲學(xué)—聲場分析及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社,2010.

　　［5］ 韓輝,魯國堂，韓偉. 超聲波探傷技術(shù)應(yīng)用中的時域波形分析［J］.工具技術(shù)，2015,49(6):81-84.

　?。?］ KUMAR P, BHARDWAJ M. Accurate measurement of distance and velocity using technological application of echolocation［J］. International Journal of Applied Engineering Research, 2012,7(11).

　?。?］ 奠石鎂．超聲波測距在汽車倒車防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電腦知識與技術(shù)，2007，1(4):1083-1085．