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山西快乐十分奖金:一種高精度超聲波測距儀測量精度的研究

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發布人:中南大學機電工程學院   瀏覽   次【字號 】 發布時間:2012年8月9日 打印本頁
摘 要:在超聲波測距技術中,通常受溫度的影響和傳播聲時(TOF)的檢測誤差,使得超聲波測距的精度不高.為了提高超聲波測距儀的測量精度,針對傳統超聲測距儀在結構上進行了改進,安裝了具有溫度補償功能的標準校正器具;同時,根據回波信號的傳輸特征,利用小波分析法對回波信號進行運算處理,提出了基于小波包絡原理的峰值檢測方法.試驗結果表明:這些技術顯著提高了超聲測距的精度并增強了超聲檢測的可靠性.

山西快乐十分前三预测 www.cxclik.com.cn   0 引言

  超聲波測距技術是近年來出現的測距新技術,是一種非接觸的檢測方式,和紅外、激光及無線電測距相比,它具有結構簡單、可靠性能高、價格便宜、安裝維護方便等優異特性,在近距范圍內超聲測距具有不受光線、顏色以及電、磁場的影響,在惡劣作業環境下有一定的適應能力.因此利用超聲波測距在實現定位及環境建模場合,如:液位、汽車防撞雷達、井深及管道長度測量、機器人定位、輔助視覺系統等方面得到廣泛的應用[1~6].但傳統的超聲波測距儀測量精度普遍較低,都不能滿足高精度測量的要求.為了克服此不足,我們從測距儀結構設計和回波信號處理的角度出發,提出了基于回波包絡峰值的檢測方法,從而進一步提高測距儀超聲檢測的精度[7~10].

  1 超聲波測距原理及系統硬件電路組成

  超聲波測距是借助于超聲波脈沖回波(即聲納法)來實現的.

  設脈沖超聲波由探頭發出到接收所經歷的時間為t,超聲波在空氣中的傳播速度為c,從探頭到目標探測物的距離為d,則

 

  2 超聲波測距儀的結構改進及溫度補償原理

  超聲波在空氣中的傳播速度隨著環境溫度、濕度以及大氣壓力的變化而變化,其中以環境的溫度對聲速的影響最大.環境溫度每升高或降低1℃,聲速就增加或減小0.607 m/s.因此,消除由溫度的變化而引起的測距誤差就顯得尤為重要.

  在本文中,我們采取安裝標準校正板的辦法來消除溫度變化造成的測量誤差.

  在探測儀的底板上部安裝一個固定距離為15 cm的標準校正板,d表示探頭到探測目標的距離,d0表示探頭到標準校正板的距離,標準校正板可以在A-B平面上左右滑動,以方便進行校正和測量.設在校正段內的聲速為c0,超聲波脈沖從發射到接收所經歷的時間為t0,則d0=c0t0;另一部分則由被測目標反射回來,其傳輸時間為t,傳播速度為c,則d為:d=ct,因為這兩段內傳播速度相等,即:c=c0,式

 

  根據式(2)可以看出:目標距離只和d0、t、t0有關,而與超聲波傳播的速度c無關,這也正是本測距儀加裝標準校正板的目的,此時目標探測距離的探測精度只取決于標準校正板的安裝精度和回波時間的測量精度,與超聲波的聲速無關,這就消除了溫度、濕度、粉塵、氣流、氣壓等的影響.在實際測量過程中,采用單片機控制,首先測量時間t0、t,最后由上位機根據式(2)計算出目標距離.

 

  3 小波分析及回波信號的包絡峰值檢測

  在本超聲波測距系統中,由式(2)可以看出:只要保證了校正板的安裝精度,測距誤差主要是由超聲波脈沖傳輸聲時t、t0引起的測量誤差,實際上是對測距脈沖回波前沿的檢測誤差.為了能精確地推算出其回波前沿,必須對回波脈沖的傳輸特性進行分析.

  3.1 小波分析理論

  小波分析是一種信號的時間一尺度(時間一頻率)分析方法,它具有高分辨率的特點,而且在時、頻兩域都具有表征信號局部特征的能力,是一種窗口大小固定不變但其形狀可改變、時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法.它在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率,在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率.因此.可以利用小波分析法對接收到的回波信號進行分析、去噪,獲得更加平滑、有效的回波包絡曲線,進而可以利用峰值檢測法準確計算出回波前沿的到達時刻.

  我們在這里采用Morlet復小波.因為當其形狀控制參數取較小值時.在幾何形狀方面,它較其它類型小波函數更加相似于接收回波波形[11].根據小波分析的最大匹配原則.當子波與所分析的信號在幾何形狀上越相似時.利用該子波提取到的信號特征就越準確.Morlet復小波函數的數學表達式為:

 

  式中:,β為形狀控制參數,

  復小波函數的??賞耆交匕縉涫擋亢托椴?因此.利用復小波函數的模便可很容易獲得回波信號的小波包絡分析.回波信號經小波包絡運算處理后,可以幫助剔除環境噪聲信號,獲得更平滑、理想的回波包絡曲線.利用包絡峰值檢測原理對小波包絡后的回波信號分析處理,從而準確計算回波前沿的到達時刻.

  3.2 回波信號的包絡峰值檢測

  根據小波分析理論提出一種新的確定回波前沿的計算方法,即回波信號的包絡峰值檢測法.通過示波器對回波波形進行觀察,可以發現對同一探測物,不同傳播距離的回波包絡線都有較好的一致性,回波波形都大致相同,只是波幅不同,并且同一距離時的不同類型探測物的回波波形也大致相同,只是波幅不同.從工程精度考慮,可以認為超聲回波幅值包絡線的形狀基本不隨回波信號的大小而變化.即回波信號包絡峰值所對應時刻tp與回波前沿到達時刻t0間的時間差(tp-t0)不隨探測物遠近的變化而變化.而時間差(tp-t0)也容易通過實驗計算出來.因此,可將接收回波信號的包絡峰值所對應的時刻tp作為停止記數的時刻,用回波包絡峰值所對應時刻與回波前沿到達時刻的時間差(tp-t0)就可消除由于時間檢出點變化所引起的測量誤差.回波信號在進行線性包絡檢波之后,在分別通過微分電路、零點交叉檢測,最后進入單片機外部中斷0的入口,從而完成傳播聲時的準確計時.因為采用包絡峰值時間點的檢測方法與信號振幅無關,故具有優良的傳輸時間檢出特性.包絡峰值檢出原理.

 

  包絡峰值檢測也可以消除虛假回波的干擾,使達到閥值的虛假回波可以被峰值檢測濾掉.本系統采用了隨時間變化的AGC自動增益控制電路.因為超聲波接收回波的幅值隨傳播距離的增加而成指數規律衰減,所以采用AGC電路使放大倍數隨距障礙物距離的增加成指數規律增加的電路.在計數器開始計時的時刻,AGC電壓開始隨時間增加而增加,在檢測到回波脈沖后清零.零交叉點檢測可以保證回波到達時刻不受回波大小變化.采用鑒寬電路可以抑制偶然的尖峰干擾信號,使尖銳的干擾信號被鑒寬電路擋住而不能到達電平比較電路.因此,采用包絡峰值檢測可以保證回波前沿的準確到達時刻.

  4 實驗數據

  為了便于說明本高精度測距儀在改善前、后測量精度的差別,分別在改善前、后各測量了20組數據作對比,實驗數據如表1、表2所示.表1為該測距儀改善前的實驗數據及其測量誤差;表2為測距儀改善后的實驗數據及其測量誤差.本系統有效測量范圍為2 m,改善前系統的測量盲區為200 mm;改善后系統的測量盲區為100 mm.

 

  5 結束語

  通過對測距儀的結構進行優化設計和改進,安裝了具有溫度補償功能的標準校正板,消除了環境溫度的變化對測距精度的影響.

  同時根據回波傳輸的特點,提出回波包絡峰值檢測法.使包絡峰值檢測能準確計算出回波的前沿,從而提高了傳播時間的測量精度.在有效測量范圍2 m內,改善前系統最小測量絕對誤差為5 mm,最小測量相對誤差為0.36%,最大測量絕對誤差為18 mm,最大測量相對誤差為5%;改善后系統最小測量絕對誤差為2 mm,最小測量相對誤差為0.25%,最大測量絕對誤差為8 mm,最大測量相對誤差為2%.系統改善后大大降低了環境溫度變化和傳播聲時檢測帶來的測量誤差,使測量系統基本上達到了cm級精度.

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