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超声波测距精度的原理及应用范围

超声波测距精度的探讨在瓦楞纸板生产线上进行原纸破损检测及其他卷径检测中,采用超声波脉冲回波测量是一种较好的非接触式的检测方式。与其他方法相比,该测量方法在恶劣环境下适应能力强。其回波信号包含的沿传达方向上的结构信息也很容易检测进去。

    设超声波传感器至卷轴中心之间的距离为H,至纸卷外径距离为h,空气中超声波传输速度为c,超声波在传感器与纸卷外经之间的传达为t,则纸卷半径r:r=H-h=H-0.5ct

11温度弥补在H已知的情况下,显然影响丈量精度的因素主要是超声波传播速度c确定和往返时间t测定。超声波在空气中的传波速度主要取决于声波传达路径环境温度T,即:c=20.0544T+273.161/2

2式中t为环境的摄氏温度测量,由于在生产现场环境受风机、蒸汽等的影响,温度变化比拟大,电气干扰也比较强。例如,环境温度为30℃,h为1.5m,温度变化5℃时,卷径的丈量误差△r为:△r=-1/2h.△T/T+273.16≈12.4mm

3显然,温度对生产的影响是不能忽略的解决的方法就是准确地丈量出当时的现场环境温度,以式(2来计算当时的声速。丈量现场环境温度可利用三端集成温度传感器TLM35,其灵敏度可达10mv/℃,再通过高精度、低漂移的集成仪器放大器AMAD620A 放大,送入A/D,由单片机进行运算(如图1所示)利用这种处置方式,温度丈量不难做到0.1℃的误差,因而在同样情况下,卷径的丈量误差△r仅为:△r=-1/2h△T/T+273.16≈0.25mm

4这足以满足了对卷径的丈量要求。图1温度丈量框图在丈量距离较大时,传达途径上温度是不均匀的,ho难以测出其温度分布。这时,可采用规范距离校正的方法。这种方法是超声波传达路径中的适当位置h0上装置一固定的反射板,由超声波传感器发出的声波一局部直接由反射板反射回来,其传输时间为t0,则ho为:ho=0.5ct0另一局部则由被测目标反射回来,其传输时间为t,则h为:h=0.5ct这样,纸卷半径r便可由下式表示:r=H-hot/to

5此时纸卷半径的测试精度只取决于反射板的装置精度和回波时间的丈量精度,而与超声波的声速无关,也即消除了温度、湿度、粉尘、气流、气压等的影响。值得注意的,要适当选择反射板的装置位置,使之反射回波不要与被测目标的反射回波混迭,并且不要使超声波受到过多的干扰。

2回波时间t测定回波时间t测定是由回波前沿决定的,为抗干扰,通常选取一定的门限值,接收回波的包络线大于门限值时确定为回波的达的时间,显然这里有一个原理上的滞后,并且在信噪比较小的情况下,误差就会比较大。通过对超声波接收回波的观察分析,发现接收回波包络检波后,其包络线前沿为指数上升曲线,大约在第九个波到包络线的峰顶,第三个波近似为峰顶的75%,因此提出一种自适应门限的检测方法。一般根据超声波传感器的频率特性;空气中通常选超声波频率为40KHz,则接收回波包络线到达峰顶的时间为9/40KHz=0.225ms,当丈量距离为1~2m时,可选超声波发射周期为16ms,占空比为1/88个周期为一个脉冲列,二列脉冲间隔为32ms,回波的第一个周期的峰值作为丈量规范,以该值的75%作为门限值,测出时间t1,由此可以计算出超声波回波真实的达时间为:t=t1-2.2/40KHz=t1-5510-6这样可防止直接以过0检测脉冲回波达到时间,因干扰噪声而引起的丈量误差,同时还可以消除接收回波信号强弱不同造成丈量误差。图2接收回波前沿波形 3超声波软件设计对于该系统的软件设计,主要完成以下几个方面的控制顺序及内容:1CPU8751单片机)初始化;2CPU8751单片机)INT0及INT1中断控制顺序;3控制8751中的P1.3脚的置位与清零;4控制延时1ms;5读取U2U3所记数据,并算;6计算S值,并控制显示数据。根据以上要求,列出超声波测距仪的顺序流程图(如图3所示)图3超声波测距仪顺序流程图 4抗扇糯胧?/SPONG>由于本超声波径丈量装置丈量距离较小,故采用一只压电陶瓷双向晶体超声波传感器兼作发射与接收,因此存在一定的自身干扰(发身与接收采用两只压电陶瓷超声波传感器时,同样也有这个问题,只是自身干扰要小些)另外,瓦楞纸板生产线电气干扰较多,再加上现场粉尘、气流等的影响,使超声波卷径检测装置丈量时受到干扰尤为严重。系统抗干扰措施必需从硬件和软件两个方面着手。为了抵制外部干扰,接收装置前置放大级采用LG并联谐振回路,其频率为40KHz,从而有效地抵制了事0KHz以外的各种频率成分干扰。但要注意谐振回路带宽不能太窄,以免降低了电路的稳定性,甚至还可能会引起放大器自激。电路元器件要选用低噪声器件,采取合理的电路布局,良好的印刷板电路走线,并注意进行屏蔽。软件方面采用数字信号处置技术,利用算数平均值滤波和相关滤波以抵制芝带的随机噪声,以及在丈量时间内近似出现周期性的干扰。通过以上处置,可以有效地从强干扰背景中提取波形已知、达时间未知的有用信号。5电路主要改进措施 1由单片机控制发射脉冲形式,如图4所示。图4发射脉冲形式 2发射功率由单片机计算出的包络线峰值确定其大小,使接收回波包络线峰值保持在合理幅度上。3自每个发射脉冲TonTon=2m后沿起1m内封锁接收回路,以抗混响干扰。并且放大回路增益在接收时间(Tof后15m内依指数曲线增加,以降低传感器前方粉尘及其他障碍物引起的反射回波造成的干扰(此反射回波一般是指按规律衰减)6结束语 提高超声波测距精度具有现实意义,本文就瓦楞纸板生产线原纸卷径检测作出的误差分析和提高超声波测距精度的措施也适用于其他超声波测量领域。

作者:深圳市好顺超声设备有限公司|日期:2011-02-14
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