[發明專利]基于實測聲速的超聲波測距方法及超聲波傳感器

在審

• 申請號: 201510852058.3
• 申請日: 2015-11-30
• 公開（公告）號: CN105510918A
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發明（設計）人: 周自平;楊席;瑛健;羅奎;馮健
• 申請（專利權）人: 湖南沄輝科技股份有限公司
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08;G01F23/296
• 代理公司: 長沙楚為知識產權代理事務所(普通合伙) 43217
• 代理人: 李大為;于海東

技術領域

本發明涉及一種基于實測聲速的超聲波測距方法及超聲波傳感器，具體涉及一種能使超 聲波測量不受外界影響的、高穩定性和高精度的基于實測聲速的超聲波測距方法及超聲波傳 感器，屬于超聲波測量技術領域。

背景技術

超聲波傳感器作為非接觸式傳感器有著安裝方便、穩定性高、不受介質污染等方便的優 點，能大量應用到工業、農業等各種液位測量的場合，特別是在有毒、有污染的場合，因此， 超聲波傳感器有著其他種類測距傳感器無可比擬的優點。但是由于超聲波測量容易受到外界 環境的影響，補償方式不完善，導致測量可重復性和精度的不高，因此只能在測量精度要求 不高或者室內外界環境變化不大的情況下使用。

超聲波傳感器的原理是通過超聲波在空氣中傳播的時間和聲波的傳輸速度計算得到距 離。然而聲速并不是一成不變的，它是隨著外界環境的變化而有所變化，其中影響聲速變化 的因素有溫度、壓力、濕度、空氣質量等。

傳統的超聲波傳感器主要通過測量溫度去計算近似得到聲速。這種方法存在的缺點是：

首先，測量的溫度不能及時正確的反應出當時空氣中的溫度；

其次，聲速不僅僅是受溫度影響，它還受空氣濕度、空氣壓力、空氣質量等方面的影響。

因此利用該種方法測得的聲速去計算測量距離時還是容易受到外界環境的影響，導致測 量距離的不準確，從而測量可重復性不高，誤差大。因此，現有超聲波傳感器測量的可重復 性和精度不高，容易受空氣溫度，空氣壓力，空氣濕度，空氣質量等外界環境的影響。

CN104483380A公開了一種基于溫度補償的超聲波氣體濃度測量方法及測量裝置，采用1 只收發一體式超聲波換能器，通過發射信號經傳感器管體另一側內壁反射后，測量接收信號 的傳播時間來實現氣體濃度測量，降低了超聲波換能器的安裝難度，減少了成本；同時通過 內置的溫度傳感器來實現溫度動態補償，首先建立待測氣體在兩種濃度下的溫度與聲速補償 曲線；再根據當前實測溫度，利用溫度與聲速補償反推出兩種濃度的待測氣體在當前溫度下 的傳播速度，并實時建立處濃度與傳播速度的關系曲線；根據當前溫度下的傳播時間計算出 傳播速度，并帶入實時曲線中即可計算出實時濃度，保證超聲波氧氣濃度傳感器在不同溫度 下的測量準確性。

該對比文件中公開的超聲波測量方法采用的是傳統的用測量溫度去補償聲速的方式，仍 然容易受環境的影響。并且從原理上說明了聲速還受空氣濃度的影響。

CN204214517U公開了一種擁有自動校準功能的超聲波液位測量系統，包括微控制器、發 射電路、接收電路和超聲波探頭，還包括溫度補償電路，在所述超聲波探頭和被測目標之間 設置有一金屬桿，通過實測聲速和溫度測量進行自動校準，測量精度高，實現對液位的精確 測量。

該對比文件中公開的超聲波液位測量系統，雖然采用了金屬管補償的方式，但是在實際 測量中還是以溫度測量聲速為準，以金屬管做為偏移后的補償，這樣導致小范圍內測量偏差 比較大。另外，由于此種方法的超聲波探頭同一時間測量金屬桿和液位，所以很容易受到虛 假回波的干擾，造成測量不穩定。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種使超聲波測量不受外界影響的、高穩定性和高 精度的基于實測聲速的超聲波測距方法及超聲波傳感器。

為解決本發明的技術問題，所采用的技術方案如下：

基于實測聲速的超聲波測距方法，具體包括以下步驟：

A、設置已知固定距離L，利用超聲波探頭測出當時的實際聲速V_實；

B、利用步驟A中測得的實際聲速V_實測量超聲波探頭底面與待測物的距離L’,步驟B具 體包括:

B1.通過中央處理器發出發射信號，發射信號經變壓器驅動電路升壓后驅動超聲波探頭發 送超聲波，超聲波探頭發送超聲波時的時間為t1’；

超聲波探頭發出來的超聲波在遇到待測物后被反射回來，被反射回來的超聲波回波被所 述超聲波探頭接收，并將其轉化成超聲波回波信號，超聲波回波信號經放大、濾波、整形電 路處理后傳回給中央處理器觸發采樣，超聲波探頭接收到超聲波回波的時間為t2’；

中央處理器計算超聲波探頭發送超聲波和接收到超聲波回波的這段時間t’，所述 t’＝t2’-t1’；