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摘要：基于超声波发射器向指定器物发射超声波，超声波在空气中传播，途中碰到测量点就立即返回来。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据整体记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。从而避开带电设备的安全距离，直接测量出所需两点之间的距离。
关键词：超声波、测距
0引言
超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播。而且超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测。并且超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法。迄今为止，国内外许多学者均着眼于超声应用学测距的研究。与其它方法相比，它不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境中(如含粉尘时)具有一定的适应能力；在近距范围内超声测距有其不受光线影响、结构简单、成本低等特点。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。
目前测距技术有人工光学仪器测量、超声波测距、微波测距、激光测距、摄像系统测距五种。但是这几种测距方法各有优点和缺点。人工光学测距简单，但是容易受地形遮蔽限制其使用范围。超声波传输速度慢，距离过大发散越大，对仪器精度要求就越高。微波测距对环境适应较强，但是在强磁环境下容易受电磁干扰。激光测距距离远、精度高，距离越近时间越短，对精度要求越高。本文主要针对变电站投运后，主要测量距离在50米以内，以及在强电磁环境下的较为适用的超声波测距系统进行探讨。
1超声波测距的原理
1.1超声波特性
与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播．电磁波的传播速度为，而超声波在空气中的传播速度为340m/s左右，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的。声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，我们通常选用频率=40kHz的超声波，波长为0.85cm。
1.2测距的基本原理
谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。
1.3温度补偿
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。表l列出了几种不同温度下的声速。声速确定后，只要测得超声波往返的时间。即可求得距离。
声速与温度关系表
若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。考虑到传感器的成本与安装的方便性，也可采用收发兼用型超声波探头，即实际距离d=s。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度补偿问题。
2超声波测距装置的设计
2.1超声波换能器
产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多用作探测方面。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
2.2超声波测距电路原理图设计
2.2.1超声波测距电路设计原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物反射后立即返回来，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约为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离(s)，即为：s=340t/2，这就是所谓的时间差测距法。存在4个因素限制了该系统的最大可测距离：超声波的幅度、反射的质地、反射回波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。测距误差主要来源于以下几个方面：（1）超声波波束对探测目标的入射角的影响；（2）超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发；（3）超声波传播速度对测距的影响。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密度对声速都将产生直接的影响，因此需对声速加以修正。（4）由于超声波利用接收发射波来进行距离的计算，因而不可避免地存在发射和反射之间的夹角，其大小为2，当很小的时候，可直接按式进行距离的计算；当夹角很大的时候，必须进行距离的修正，修正的公式为：实际的调试过程中，要十分注意发射和接收探头在电路板上的安装位置，这是因为每一种超声波发射、接收头都有一个有效测量夹角，这里用到的发射、接收头有效测量夹角为45°。接收换能器对超声波脉冲的直接接收能力将决定该系统最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。
2.2.2超声波测距电路设计原理图
2.3超声波测距误差
导致误差的原因：(1)超声波速度变化引起的误差，包括温度变化引起的速度变化、空气成分变化、超声波传播途中温度梯度导致测温不准；(2)衰减导致的误差，由于超声波在传播过程中受空气热对流扰动、尘埃吸收的影响，回波幅值随传播距离成指数规律衰减，使远距离回波很难检测。消除误差的方案：(1)通过上述温度补偿公式对声速进行温度补偿；(2)多次测量后取均值
3超声波测距装置的评价
提高超声波的频率可以提高测量精度，但随着超声波频率的提高，空气吸收也会增大，加大了波形的衰耗，需要牺牲测量距离来满足精度的需求。超声波在空气传播过程中衰减比较大，从而限制了测量距离。降低了超声波发射频率。虽然可以增大测量范围。但测量精度将会变低。另一种可行的方法是通过提高发射频率，采用脉冲方式来增大测距范围，要求发射源有很大的瞬间功率，脉冲宽度较窄，能量集中，这样接收才更灵敏。
参考文献：
1 兰羽 具有温度补偿功能的超声波测距系统设计 陕西工业职业技术学院电气学院
2 沙爱军 基于单片机的超声波测距系统的研究与设计 南京工程学院通信工程学院
3 胡延苏 高昂 超声波测距误差分析及校正研究 长安大学电子与控制工程学院
作者简介：
周琪 （1973-），男，本科，电力工程师，从事国家交直流输变电工程项目的管理
论文作者:周琪
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/10/1
标签：超声波论文; 测量论文; 声速论文; 距离论文; 回波论文; 温度论文; 声波论文; 《基层建设》2018年第24期论文;