超声波测距系统设计理论分析及工作原理

在双探头近距离的超声波测距系统中，存在着测量精度不高的问题，并且距离越近误差越大，在测量距离小于10cm时，由于探头之间的相互影响，将导致无法测量该段距离。本系统根据超声波传播过程中的叠加原理，通过分析探头之间干扰波与从被测物反射的回波的相互叠加，从而消除在近距离测量时的测距盲区。在发射和接收探头之间距离不同时，分析其对测量误差的影响，选择最理想的探头放置距离，并且结合温度对声速传播的影响，设计出近距离高精度无盲区超声波测距系统。

超声波测距由于具有非接触式测量、不受电磁干扰、结构简单、成本低等许多优点，在测距方面得到越来越广泛的应用。以往的测距方法通常包括以下两种：

（1）用微分电路监测回波信号的极值电压，该点的斜率为0，并记下从加载激励信号到该时刻的时间，从而得到被测物的距离；

（2）用固定幅值门限的比较电路，当回波信号的电压达到所设的固定幅值时产生中断记下该时刻，从而计算出到被测物的距离。这两种检测方法的共同缺点是：无法在近距离范围内测量，因为所监测的特征在测量盲区内都会出现，从而导致测量结果错误。所以对应的一般办法是舍弃近距离的测量，屏蔽盲区的信号检测，从而限制该类型超声探头在近距离测量方面的应用，而选用更精密昂贵的超声波探头应用在近距离测距的场合。

在收发换能器分立的超声波测距系统中，由于发射探头和接收探头的距离较近，发射探头产生的声波信号在探头壁上产生反射和折射现象，从而使接收探头接收到杂乱的回波信号，且当被测物与超声波探头相距较近时，所收到的回波信号是从障碍物反射所得还是从发射探头得到将很难分辨，故限制了其在近距离测量方面的应用，因此提高近距离超声波测距系统的测量精度具有重大的研究意义。

本文提出了一种近距离高精度无盲区超声波测距的方法，如图1所示。当被测物与超声波探头相距较近时，超声波探头之间产生的干扰波和从被测物反射的回波将会进行叠加作用在接收探头上。探头之间距离（R）越小，接收到干扰信号的幅值越大，距离越大，幅值将越小。根据声波信号的叠加原理，采集接收到回波信号的幅值，通过分析回波信号的幅值信号，得出从被测物反射回波的到达时刻，从而实现近距离的测量。同时，两探头之间的距离将会影响分析回波信号的分辨能力，所以对两探头之间的距离找一个平衡是提高超声波在近距离测距精度的关键。