基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲波測距技術(shù)，具體為基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]利用傳感器測量距離的方法一般有激光測距、超聲波測距和電渦流測距三種。電渦流測距傳感器靈敏度高，測量范圍有限(I?10mm)，僅適于近距離測試。激光測距傳感器適用于遠(yuǎn)距離測量，測量范圍可達(dá)幾公里甚至更遠(yuǎn)，其對環(huán)境要求較高，煙霧、灰塵等對激光傳播影響大。超聲波傳感器測距測量范圍2cm-7m，往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制。
[0003]頻率在20KHz以上的聲波稱為超聲波，由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，常用于距離的測量。它主要應(yīng)用在物距測量、物位測量、倒車?yán)走_(dá)、液面高度測量、機(jī)器人的研制等。其測距原理為:超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物即返回，超聲波接收器收到反射波即停止計(jì)時(shí)，空氣中聲速340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間t，發(fā)射點(diǎn)距離障礙物s=170t。
[0004]傳統(tǒng)的超聲波測距傳感器都只發(fā)射同一頻率的超聲波，通過一個(gè)微秒級的周期性觸發(fā)信號觸發(fā)，傳感器內(nèi)部循環(huán)發(fā)出8個(gè)頻率相同40KHz的脈沖信號，同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波接收器一端檢測有回波信號輸出回響信號時(shí)停止計(jì)時(shí)。此方法的可見誤差在于不能確定接收到的回波信號是來自8個(gè)循環(huán)信號中的哪一個(gè)，只要檢測到任一個(gè)回波信號，即停止計(jì)時(shí)，當(dāng)待測物體表面不平整或不垂直于超聲波傳輸方向時(shí)，接收到的回波信號有可能是上一個(gè)發(fā)射周期中的超聲波脈沖信號經(jīng)多個(gè)表面反射回來，且傳感器無法識別回波信號，此時(shí)得到的記錄時(shí)間t并非實(shí)際中超聲波脈沖經(jīng)歷傳感器與待測物體間一個(gè)來回的時(shí)間，此時(shí)產(chǎn)生的誤差較大。待測距離由回波信號時(shí)間計(jì)算，因此所測距離誤差較大。
[0005]常見的減小測量誤差，提高測量精度的方法即在待測物體上安裝反射器，使其盡量與超聲波信號方向垂直，提高測量精度。即便如此測量精度提高程度仍有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決現(xiàn)有超聲波測距技術(shù)測量精度低的問題，提供一種基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距方法及其裝置。
[0007]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距方法，包括在一個(gè)測量周期內(nèi)的超聲波脈沖信號的發(fā)射和接收，所發(fā)射的超聲波脈沖信號為8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖信號，在每個(gè)頻率的超聲波脈沖信號的發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，在接收到對應(yīng)頻率的回波信號時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣，最多得到8個(gè)時(shí)間值，將這些時(shí)間值取算術(shù)平均值得到這個(gè)測量周期的超聲波脈沖信號傳播時(shí)間的計(jì)算值h，帶入公式s=170 h中，即得到距待測物體的距離S。
[0008]基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距裝置，包括控制單元MCU，控制單元MCU的信號輸出端連接超聲波發(fā)生電路，超聲波發(fā)生電路與超聲波發(fā)生器連接；控制單元MCU的信號輸入端連接超聲波接收電路，超聲波接收電路與超聲波接收器連接；在控制單元MCU發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號的控制下，超聲波發(fā)生電路在每一個(gè)觸發(fā)脈沖信號周期內(nèi)產(chǎn)生8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖信號并施加于超聲波發(fā)生器，使超聲波發(fā)生器發(fā)出8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖，控制單元MCU在每個(gè)頻率的超聲波脈沖的發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)并存儲8個(gè)超聲波脈沖的頻率值；超聲波接收器接收到對應(yīng)頻率的回波信號并傳送給超聲波接收電路，超聲波接收電路測算得到對應(yīng)頻率的回波信號的頻率值并傳送給控制單元MCU，控制單元MCU在接收到對應(yīng)頻率的回波信號的頻率值時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣，控制單元MCU最多得到8個(gè)時(shí)間值，將這些時(shí)間值取算術(shù)平均值得到這個(gè)觸發(fā)脈沖信號周期的超聲波脈沖信號傳播時(shí)間的計(jì)算值h，帶入公式s=170 h中，即得到距待測物體的距離S。
[0009]本發(fā)明所述方法及裝置測距精度高。技術(shù)方案設(shè)計(jì)新穎、獨(dú)特，適用于各種距離測量領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為控制單元MCU發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號；
圖3為超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生的超聲波脈沖信號；
圖4為超聲波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖中:1 一控制單元MCU，2 —超聲波發(fā)生電路，3 —超聲波接收電路，4 一超聲波發(fā)生器，5 —超聲波接收器，6 —待測物體，41 一壓電晶片，42 —共振片，43 —電極。
【具體實(shí)施方式】
[0012]基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距方法，包括在一個(gè)測量周期內(nèi)的超聲波脈沖信號的發(fā)射和接收，所發(fā)射的超聲波脈沖信號為8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖信號，在每個(gè)頻率的超聲波脈沖信號的發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，在接收到對應(yīng)頻率的回波信號時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣，最多得到8個(gè)時(shí)間值，將這些時(shí)間值取算術(shù)平均值得到這個(gè)測量周期的超聲波脈沖信號傳播時(shí)間的計(jì)算值h，帶入公式s=170 h中，即得到距待測物體的距離S。
[0013]基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距裝置，包括控制單元MCU1，控制單元MCU的信號輸出端連接超聲波發(fā)生電路2，超聲波發(fā)生電路2與超聲波發(fā)生器4連接；控制單元MCUl的信號輸入端連接超聲波接收電路3，超聲波接收電路3與超聲波接收器5連接；在控制單元MCU發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號的控制下，超聲波發(fā)生電路在每一個(gè)觸發(fā)脈沖信號周期內(nèi)產(chǎn)生8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖信號并施加于超聲波發(fā)生器，使超聲波發(fā)生器發(fā)出8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖，控制單元MCU在每個(gè)頻率的超聲波脈沖的發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)并存儲8個(gè)超聲波脈沖的頻率值；超聲波接收器接收到對應(yīng)頻率的回波信號并傳送給超聲波接收電路，超聲波接收電路測算得到對應(yīng)頻率的回波信號的頻率值并傳送給控制單元MCU，控制單元MCU在接收到對應(yīng)頻率的回波信號的頻率值時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣，控制單元MCU最多得到8個(gè)時(shí)間值，將這些時(shí)間值取算術(shù)平均值得到這個(gè)觸發(fā)脈沖信號周期的超聲波脈沖傳播時(shí)間的計(jì)算值t(i，帶入公式s=170 中，即得到距待測物體的距離S。
[0014]超聲波發(fā)生器4包括8種固有頻率的壓電晶片41和共振片42，壓電晶片41上設(shè)有電極43。電極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片產(chǎn)生共振，帶動共振片，產(chǎn)生超聲波。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距方法，包括在一個(gè)測量周期內(nèi)的超聲波脈沖信號的發(fā)射和接收，其特征在于，所發(fā)射的超聲波脈沖信號為8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖信號，在每個(gè)頻率的超聲波脈沖信號的發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，在接收到對應(yīng)頻率的回波信號時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣，最多得到8個(gè)時(shí)間值，將這些時(shí)間值取算術(shù)平均值得到這個(gè)測量周期的超聲波脈沖信號傳播時(shí)間的計(jì)算值、，帶入公式s=170 h中，即得到距待測物體的距離S。
2.基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距裝置，包括控制單元MCU(I )，控制單元MCU的信號輸出端連接超聲波發(fā)生電路(2)，超聲波發(fā)生電路(2)與超聲波發(fā)生器(4)連接；控制單元MCU (I)的信號輸入端連接超聲波接收電路(3)，超聲波接收電路(3)與超聲波接收器(5)連接；其特征在于，在控制單元MCU發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號的控制下，超聲波發(fā)生電路在每一個(gè)觸發(fā)脈沖信號周期內(nèi)產(chǎn)生8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖信號并施加于超聲波發(fā)生器，使超聲波發(fā)生器發(fā)出8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖，控制單元MCU在每個(gè)頻率的超聲波脈沖的發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)并存儲8個(gè)超聲波脈沖的頻率值；超聲波接收器接收到對應(yīng)頻率的回波信號并傳送給超聲波接收電路，超聲波接收電路測算得到對應(yīng)頻率的回波信號的頻率值并傳送給控制單元MCU,控制單元MCU在接收到對應(yīng)頻率的回波信號的頻率值時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣，控制單元MCU最多得到8個(gè)時(shí)間值，將這些時(shí)間值取算術(shù)平均值得到這個(gè)觸發(fā)脈沖信號周期的超聲波脈沖傳播時(shí)間的計(jì)算值h，帶入公式s=170 h中，即得到距待測物體的距離S。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距裝置，其特征在于，超聲波發(fā)生器(4)包括8種固有頻率的壓電晶片(41)和共振片(42)，壓電晶片(41)上設(shè)有電極(43)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及超聲波測距技術(shù)，具體為基于多種發(fā)射頻率的超聲波測距方法及其裝置。解決現(xiàn)有超聲波測距技術(shù)測量精度低的問題。該超聲波測距方法包括在一個(gè)測量周期內(nèi)的超聲波脈沖信號的發(fā)射和接收，所發(fā)射的超聲波脈沖信號為8個(gè)不同頻率的超聲波脈沖信號，在每個(gè)頻率的超聲波脈沖信號的發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，在接收到對應(yīng)頻率的回波信號時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣，最多得到8個(gè)時(shí)間值，將這些時(shí)間值取算術(shù)平均值得到這個(gè)測量周期的超聲波脈沖信號傳播時(shí)間的計(jì)算值t0，帶入公式s=170t0中，即得到距待測物體的距離s。本發(fā)明所述方法及裝置測距精度高。技術(shù)方案設(shè)計(jì)新穎、獨(dú)特，適用于各種距離測量領(lǐng)域。
【IPC分類】G01S15-08
【公開號】CN104536003
【申請?zhí)枴緾N201510018200
【發(fā)明人】郭瑞敏, 趙銳, 鐘曉霞
【申請人】國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月14日