Question

老师，我想问一下怎么能确定超声波测距的最大测距范围？

我做的设计要求最大测量范围是5米，我现在不知道怎么才能准确将测量范围控制到5米？还有怎么能将测量精度降低到毫米？我加入温度补偿了。但是实现不了啊？

Answer 1

你好！
铭扬超声波小编为您解答：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：L=C×T
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。
超声波测距误差分析
根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。
时间误差
当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。
在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
超声波传播速度误差
超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。
已知超声波速度与温度的关系如下：
式中： r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，
R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，
M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，
T —绝对温度，273K+T℃。
近似公式为：C=C0+0.607×T℃
式中：C0为零度时的声波速度332m/s；
T为实际温度(℃)。
对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5cm。

Answer 2

对于第一个问题：
超声波测距，通常在10米以内，但也有个别厂家做到几十米甚至百米的。超声波测距有以下几个特点：1、频率越高，精度也越高，但检测距离越近（空气衰减增大）；2、输出功率越高、灵敏度越高，检测距离也越远（虽然是废话，但我必须写上）；3、通常检测角度小的，测距范围略远；4、以上因素所造成的影响加起来，可能没有被测物体带来的影响更大：例如一个刚性表面（例如钢板）和一根铁丝、或者在钢板表面铺满吸音绵、或者把钢板与探头法线夹角从垂直改为倾斜45度等等，这些因素所带来的影响最大的。这也许不太容易理解，如果把超声波比作可见光，那么刚性表面可以理解成镜子，要想让你发现距离很远的人，对方用镜子‘晃’你是最好不过的了。但如果把镜子罩上黑纸，或者把镜子倾斜45度所带来的影响，你我可想而知，超声波也一样。
第二个问题：
一个单片机上同时使用几个不同频率的超声波模块，这就是软件程序的问题，没有什么难度，大学生就可以做，我想你一定也没问题。关于测距模块，从20khz~400khz，测距范围从0.1m~30m这些都不难购到，技术也不是很难。问题是，你能找到这么多频率的探头么？虽然超声波探头的各种频率都有，但它是针对量程来划分的，同一个量程里，频率都很接近（例如3-10米测距基本都是40khz）。你要在同一个量程里找出4种不同频率来，恐怕是有难度的。当然你也可以用4种不同的频率来驱动同一种探头。可是，若4个频率中的某个频率与探头的中心频率差别大了（例如超过5%），会导致效率大幅减低，如果频率差别小了，识别、区分他们又有困难，例如对于一个40khz的探头，一般厂家规定的下限和上限也就是38khz~42khz，我们就算冒险用到37khz~43khz（从可靠性和稳定性考虑，我不赞成这么用），你需要区分37khz、39khz、41khz、43khz四种频率的反馈信号，如此以来，常规的测距电路是不能用了，你需要研究一种全新的测距方案来识别他们，而且不能影响正常的计时精度，我建议你参考一些微波雷达的技术。

Answer 3

调整振荡电路输出的脉冲数，改变超声波的频率