由于聲波向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過聲波來實(shí)現(xiàn)。利用聲波檢測往往迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且在測量度方面能達(dá)到業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
原理
二、 聲波測距原理
1、 聲波發(fā)生器
為了研究和利用聲波，人們已經(jīng)和制成了許多聲波發(fā)生器。總體上講，聲波發(fā)生器可以分為兩大類:類是用電氣方式產(chǎn)生聲波，類是用機(jī)械方式產(chǎn)生聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣旋笛等。它們所產(chǎn)生的聲波的頻率、率和聲波性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式聲波發(fā)生器。
2、壓電式聲波發(fā)生器原理
壓電式聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來作的。聲波發(fā)生器內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個壓電晶片和個共振板。當(dāng)它的兩外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生聲波。反之，如果兩電間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為聲波接收器了。
3、聲波測距原理
聲波發(fā)射器向某方向發(fā)射聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計(jì)時，聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時。聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時器記錄的時間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即:s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。
聲波測距的原理是利用聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，聲波測距原理與雷達(dá)原理是樣的。
測距的公式表示為:L=C×T
式中L為測量的距離長度;C為聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的半)。
聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑地、業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米，但測量的度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量。
由于聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體度測量的理想手段。在的液位測量中需要達(dá)到毫米的測量度，但是目前內(nèi)的聲波測距用集成電路都是只有厘米的測量度。通過分析聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提測量時間差到微秒，以及用LM92溫度傳感器行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們的度聲波測距儀能達(dá)到毫米的測量度。
聲波測距誤差分析
根據(jù)聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。
時間誤差
當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)已知聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。
在聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值度只要在達(dá)到微秒，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。
聲波傳播速度誤差
聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越則聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，如表1所示。
已知聲波速度與溫度的關(guān)系如下:
式中: r -氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，
R -氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，
M-氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，
T -溫度，273K+T℃。
近似公式為:C=C0+0.607×T℃
式中:C0為零度時的聲波速度332m/s;
T為實(shí)際溫度(℃)。
對于聲波測距度要求達(dá)到1mm時，就把聲波傳播的環(huán)境溫度考慮去。例如當(dāng)溫度0℃時聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s，溫度變化引起的聲波速度變化為18m/s。若聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到5m，測量1m誤差將達(dá)到5cm。
