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(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過聲波來實(shí)現(xiàn)。利用聲波檢測(cè)往往迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量度方面能達(dá)到業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
原理
二、 聲波測(cè)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(dòng)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(gè)壓電晶片和個(gè)共振板。當(dāng)它的兩外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，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(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為聲波接收器了。
3、聲波測(cè)距原理
聲波發(fā)射器向某方向發(fā)射聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(shí)。聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)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(shí)間差測(cè)距法。
聲波測(cè)距的原理是利用聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)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(cè)距原理與雷達(dá)原理是樣的。
測(cè)距的公式表示為:L=C×T
式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度;C為聲波在空氣中的傳播速度;T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的半)。
聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑地、業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)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(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體度測(cè)量的理想手段。在的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米的測(cè)量度，但是目前內(nèi)的聲波測(cè)距用集成電路都是只有厘米的測(cè)量度。通過分析聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提測(cè)量時(shí)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(cè)距儀能達(dá)到毫米的測(cè)量度。
聲波測(cè)距誤差分析
根據(jù)聲波測(cè)距公式L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。
時(shí)間誤差
當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，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(cè)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(cè)量距離的傳播時(shí)間差值度只要在達(dá)到微秒，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)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(duì)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(shí)的聲波速度332m/s;
T為實(shí)際溫度(℃)。
對(duì)于聲波測(cè)距度要求達(dá)到1mm時(shí)，就把聲波傳播的環(huán)境溫度考慮去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)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(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5cm。
