一种减小超声波测距装置盲区的方法.pdf

本发明涉及到一种利用声波反射原理的超声波测距装置的信号处理方法，特别是涉及工业用超声波物位测量装置的信号处理方法。这种装置所用的探头由单个超声波换能器构成。利用本发明方法可大幅度地减小这种装置的盲区。
    公知的利用声波反射原理的超声波测距装置，按其所使用的超声波探头的不同可分为两类。第一类其探头由两个超声波换能器构成，其中一个完成超声波的发射，另一个完成超声波的接收，为获得较大的灵敏度，二个换能器必须是谐振频率相同且大多数需要处于同一结构中，使得探头结构复杂，制作困难，且体积较大，很多场合不能使用。第二类超声测距装置所使用的探头由单个换能器构成，超声波的发射与接收由同一换能器完成。其优点是探头结构简单，无制作困难，控制电路简单，工作可靠;不足之处是存在较大的盲区。在实际的超声波测距装置中为得到一定的接收灵敏度，发射波需要有一定的时间宽度，而且当规定的超声波发射完后，换能器还存在余振，仍有不断衰弱地超声波发出。若使用收发合一的单换能器，那么当声波反射体位置发生变化与探头距离较近时，首次回波（包括换能器的余振）会与发射波叠加在一起，造成回波无法分辨，这一段距离即为盲区。公知的第二类超声测距装置由于均是通过首次回波来辨别物体位置，因而都存在这一盲区问题。公知的盲区均在40cm左右，有的高达80cm以上。为了克服盲区影响，在安装超声波探头时，需将其位置提高或后移，这在有些应场所会造成很大的不便。

    本发明要解决的问题是大幅度减小前述第二类测距装置的盲区。

    当超声波探头距声波反射体较近时，由于在探头与声波反射体之间的超声波衰减得小，探头不仅可以接收到一次回波（即首次回波），而且可以接收到二次甚至三次等多次回波，即n次回波，相邻回波之间的时间间隔相同。当超声波发射能量一定时，探头与声波反射体越近，n值越大。当一次回波与发射波重叠时，二次回波等后续回波仍然可以分辨出来，只是接收时间相应增大几倍。依此类推，当n次回波与发射波重叠时，可以分辨出n+1次回波，但接收时间一次回波的n+1倍。

    由于声波（包括超声波、次声波）在同一介质（如空气、水）中的传播速度一定且公知，所以当测出从声波发射到一次回波被接收所用的时间时，被测距离也就可以确定了，即设声速为v，一次回波接收时间为t1，则被测距离为L＝v·t1/2。而一次回波与发射波发生重叠时，可以检测到二次回波，接收到二次回波所用时间t3为接收到一次回波所用时间t1的两倍，根据这一时间的突变，可以判别回波为二次回波，这时的被测距离L＝v·t2/4。同样我们也可以利用三次或三次以上的回波来判别被测距离。依此类推，当m次回波与发射波重叠时，我们可以利用n（n＞m）次回波来得出被测距离，公式为L＝v·tn/（2n）。进一步讲，只要探头与声波反射体较近时，我们就可以利用n次回波来测量距离，而不必等到前面的n-1次回波与发射波重叠时才利用这种检测方法。利用这种检测方法使得测量盲区大幅度减小。

    应当注意的是我们上面所述的n值并不是无限大的，它与超声波的发射功率有关;同时可利用的n值也是有限的，它决定于发射波及回波的宽度，当探头与物体极近时，各次回波也会由于自身均有一定的宽度而重叠，这时要测出物体的真实位置是很困难的。

    由于电子技术的发展，特别是大规模集成电路及微计算机（特别是单片机）的发展，我们完成以上利用n次回波来测量近距离的方法能够得以实现。使用这种方法的测距装置的盲区在10cm左右，已完全满足实际应用的需要了。

    以下是实现上述方法的最佳（非限定的）实施例。

    附图是一种测距装置的方框图及信号流程图，其以微机作为控制及信号处理的主体，由它发出各种控制信号，同时对各种输入信号进行识别处理，这种装置是以下述方式实现上述利用n次回波来测距的方法的。

    在一个工作周期内，首先由微机发出一组信号控制发射电路工作;同时微机开始计时，发射电路将一束电脉冲输出给由单个超声波换能器构成的探头，驱动探头向外发出一束超声波，超声波传播到声波反射体处时被反射，形成回波;回波又被探头所收到而将其转变为一束电脉冲，为接收电路所接收，接收电路向微机发出回波收到信号;微机根据回波收到信号结束计时，此计时时间即为回波收到时间;微机将此回波时间与前一次工作周期时的回波收到时间比较，若两者近似倍数关系，说明这一工作周期内的回波与前一次工作周期收到的回波非同次回波，微机将根据不同情况利用前述方法进行相应的运算处理，然后将测距实际值输出到显示装置进行显示。微机将此工作周期所得到的回波收到时间及所判断出的回波所属次数记忆起来，以便下一工作周期时用来进行判断比较。在每一个工作周期内，微机可向接收电路发出接收禁止信号，以禁止前面的m次回波的接收，而接收所要利用的n次回波，n＞m。