加入收藏
设为首页
网站首页 走进统创 热销产品 产品展示 新闻动态 成功案例 技术文章 联系统创
 流量仪表
     超声波流量计
     电磁流量计
     涡街流量计
     智能旋进旋涡气体流量计
     孔板流量计
     威力巴流量计
     涡轮流量计
     热式气体质量流量计
     V锥流量计
     金属管浮子流量计
     椭圆齿轮流量计
     阿牛巴流量计
 压力仪表
     压力发生装置系列
     压力表系列
 温度仪表
     双金属温度计系列
     热电偶热电阻系列
 变送器仪表
     智能变送器掌上编程器
     智能差压变送器系列
     液位变送器系列
     扩散硅压力变送器系列
 数显仪表
     显示调节仪
     无纸记录仪
 液位/物位仪表
     物位仪表
     液位仪表
 仪表球阀
 电线电缆

地址:江苏省淮安市金湖县建设西路333号
邮编:211600
电话:0517-86888834 86888835
传真:0517-86888835
联系人:李从权
在线QQ:253376250

 
  超声波测距仪的工作原理
超声波测距仪的工作原理
发布时间:2019/12/26 8:07:50

1、 超声波发生器 
为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 
2、压电式超声波发生器原理 
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示,它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。 
3、超声波测距原理 
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。 
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。 
测距的公式表示为:L=C×T 
式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。 
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量,虽然目前的测距量程上能达到百米,但测量的精度往往只能达到厘米数量级。 
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,是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度,但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因,提高测量时间差到微秒级,以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后,我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 
超声波测距误差分析 
根据超声波测距公式L=C×T,可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 
时间误差 
当要求测距误差小于1mm时,假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温),忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。 
在超声波的传播速度是准确的前提下,测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级,就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度,因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。 
超声波传播速度误差 
超声波的传播速度受空气的密度所影响,空气的密度越高则超声波的传播速度就越快,而空气的密度又与温度有着密切的关系,如表1所示。 
已知超声波速度与温度的关系如下: 
式中: r —气体定压热容与定容热容的比值,对空气为1.40, 
R —气体普适常量,8.314kg·mol-1·K-1, 
M—气体分子量,空气为28.8×10-3kg·mol-1, 
T —绝对温度,273K+T℃。 
近似公式为:C=C0+0.607×T℃ 
式中:C0为零度时的声波速度332m/s; 
T为实际温度(℃)。 
对于超声波测距精度要求达到1mm时,就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s,温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m,测量1m误差将达到5mm。

1、 超声波发生器 
为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 
2、压电式超声波发生器原理 
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示,它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。 
3、超声波测距原理 
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。 
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。 
测距的公式表示为:L=C×T 
式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。 
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量,虽然目前的测距量程上能达到百米,但测量的精度往往只能达到厘米数量级。 
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,是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度,但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因,提高测量时间差到微秒级,以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后,我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 
超声波测距误差分析 
根据超声波测距公式L=C×T,可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 
时间误差 
当要求测距误差小于1mm时,假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温),忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。 
在超声波的传播速度是准确的前提下,测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级,就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度,因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。 
超声波传播速度误差 
超声波的传播速度受空气的密度所影响,空气的密度越高则超声波的传播速度就越快,而空气的密度又与温度有着密切的关系,如表1所示。 
已知超声波速度与温度的关系如下: 
式中: r —气体定压热容与定容热容的比值,对空气为1.40, 
R —气体普适常量,8.314kg·mol-1·K-1, 
M—气体分子量,空气为28.8×10-3kg·mol-1, 
T —绝对温度,273K+T℃。 
近似公式为:C=C0+0.607×T℃ 
式中:C0为零度时的声波速度332m/s; 
T为实际温度(℃)。 
对于超声波测距精度要求达到1mm时,就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s,温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m,测量1m误差将达到5mm。

流量计首页 | 走进统创 | 热销产品 | 产品展示 | 新闻动态 | 成功案例 | 技术文章 | 联系统创 | 网站地图 |
电话:0517-86888834 86888835 传真:0517-86888835
联系人:李从权 手机:13770434222
地址:江苏省淮安市金湖县建设西路333号
Copyright www.jhtongchuang.com 金湖统创仪表有限公司 备案号:苏ICP备10080562号-11