基于實(shí)測(cè)聲速的超聲波測(cè)距方法及超聲波傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于實(shí)測(cè)聲速的超聲波測(cè)距方法及超聲波傳感器，具體涉及一種能使超聲波測(cè)量不受外界影響的、高穩(wěn)定性和高精度的基于實(shí)測(cè)聲速的超聲波測(cè)距方法及超聲波傳感器，屬于超聲波測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波傳感器作為非接觸式傳感器有著安裝方便、穩(wěn)定性高、不受介質(zhì)污染等方便的優(yōu)點(diǎn)，能大量應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各種液位測(cè)量的場(chǎng)合，特別是在有毒、有污染的場(chǎng)合，因此，超聲波傳感器有著其他種類測(cè)距傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是由于超聲波測(cè)量容易受到外界環(huán)境的影響，補(bǔ)償方式不完善，導(dǎo)致測(cè)量可重復(fù)性和精度的不高，因此只能在測(cè)量精度要求不高或者室內(nèi)外界環(huán)境變化不大的情況下使用。
[0003]超聲波傳感器的原理是通過(guò)超聲波在空氣中傳播的時(shí)間和聲波的傳輸速度計(jì)算得到距離。然而聲速并不是一成不變的，它是隨著外界環(huán)境的變化而有所變化，其中影響聲速變化的因素有溫度、壓力、濕度、空氣質(zhì)量等。
[0004]傳統(tǒng)的超聲波傳感器主要通過(guò)測(cè)量溫度去計(jì)算近似得到聲速。這種方法存在的缺點(diǎn)是:
[0005]首先，測(cè)量的溫度不能及時(shí)正確的反應(yīng)出當(dāng)時(shí)空氣中的溫度；
[0006]其次，聲速不僅僅是受溫度影響，它還受空氣濕度、空氣壓力、空氣質(zhì)量等方面的影響。
[0007]因此利用該種方法測(cè)得的聲速去計(jì)算測(cè)量距離時(shí)還是容易受到外界環(huán)境的影響，導(dǎo)致測(cè)量距離的不準(zhǔn)確，從而測(cè)量可重復(fù)性不高，誤差大。因此，現(xiàn)有超聲波傳感器測(cè)量的可重復(fù)性和精度不高，容易受空氣溫度，空氣壓力，空氣濕度，空氣質(zhì)量等外界環(huán)境的影響。
[0008]CN104483380A公開了一種基于溫度補(bǔ)償?shù)某暡怏w濃度測(cè)量方法及測(cè)量裝置，采用I只收發(fā)一體式超聲波換能器，通過(guò)發(fā)射信號(hào)經(jīng)傳感器管體另一側(cè)內(nèi)壁反射后，測(cè)量接收信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體濃度測(cè)量，降低了超聲波換能器的安裝難度，減少了成本;同時(shí)通過(guò)內(nèi)置的溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，首先建立待測(cè)氣體在兩種濃度下的溫度與聲速補(bǔ)償曲線;再根據(jù)當(dāng)前實(shí)測(cè)溫度，利用溫度與聲速補(bǔ)償反推出兩種濃度的待測(cè)氣體在當(dāng)前溫度下的傳播速度，并實(shí)時(shí)建立處濃度與傳播速度的關(guān)系曲線;根據(jù)當(dāng)前溫度下的傳播時(shí)間計(jì)算出傳播速度，并帶入實(shí)時(shí)曲線中即可計(jì)算出實(shí)時(shí)濃度，保證超聲波氧氣濃度傳感器在不同溫度下的測(cè)量準(zhǔn)確性。
[0009]該對(duì)比文件中公開的超聲波測(cè)量方法采用的是傳統(tǒng)的用測(cè)量溫度去補(bǔ)償聲速的方式，仍然容易受環(huán)境的影響。并且從原理上說(shuō)明了聲速還受空氣濃度的影響。
[0010]CN204214517U公開了一種擁有自動(dòng)校準(zhǔn)功能的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)，包括微控制器、發(fā)射電路、接收電路和超聲波探頭，還包括溫度補(bǔ)償電路，在所述超聲波探頭和被測(cè)目標(biāo)之間設(shè)置有一金屬桿，通過(guò)實(shí)測(cè)聲速和溫度測(cè)量進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，測(cè)量精度高，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的精確測(cè)量。
[0011]該對(duì)比文件中公開的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)，雖然采用了金屬管補(bǔ)償?shù)姆绞?，但是在?shí)際測(cè)量中還是以溫度測(cè)量聲速為準(zhǔn)，以金屬管做為偏移后的補(bǔ)償，這樣導(dǎo)致小范圍內(nèi)測(cè)量偏差比較大。另外，由于此種方法的超聲波探頭同一時(shí)間測(cè)量金屬桿和液位，所以很容易受到虛假回波的干擾，造成測(cè)量不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種使超聲波測(cè)量不受外界影響的、高穩(wěn)定性和高精度的基于實(shí)測(cè)聲速的超聲波測(cè)距方法及超聲波傳感器。
[0013]為解決本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案如下:
[0014]基于實(shí)測(cè)聲速的超聲波測(cè)距方法，具體包括以下步驟:
[0015]A、設(shè)置已知固定距離L，利用超聲波探頭測(cè)出當(dāng)時(shí)的實(shí)際聲速V實(shí)；
[0016]B、利用步驟A中測(cè)得的實(shí)際聲速V實(shí)測(cè)量超聲波探頭底面與待測(cè)物的距離L’，步驟B具體包括:
[0017]B1.通過(guò)中央處理器發(fā)出發(fā)射信號(hào)，發(fā)射信號(hào)經(jīng)變壓器驅(qū)動(dòng)電路升壓后驅(qū)動(dòng)超聲波探頭發(fā)送超聲波，超聲波探頭發(fā)送超聲波時(shí)的時(shí)間為11’；
[0018]超聲波探頭發(fā)出來(lái)的超聲波在遇到待測(cè)物后被反射回來(lái)，被反射回來(lái)的超聲波回波被所述超聲波探頭接收，并將其轉(zhuǎn)化成超聲波回波信號(hào)，超聲波回波信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形電路處理后傳回給中央處理器觸發(fā)采樣，超聲波探頭接收到超聲波回波的時(shí)間為t2’；
[0019]中央處理器計(jì)算超聲波探頭發(fā)送超聲波和接收到超聲波回波的這段時(shí)間t’，所述t，=t2，_tl，；
[0020]11，是超聲波探頭發(fā)射超聲波時(shí)的時(shí)間(也就是發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)間)，t2 ’是超聲波探頭接收到反射回來(lái)的超聲波回波的時(shí)間(也就是中央處理器接收到回波信號(hào)的時(shí)間)，其中超聲波探頭將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)、然后信號(hào)的放大、濾波、整形這些時(shí)間極短，可忽略。
[0021]B2.中央處理器獲取實(shí)際聲速V實(shí)，并根據(jù)公式:L’ =V實(shí)X(l/2t’)= l/2V實(shí)(t2’_tl，)，計(jì)算得出超聲波探頭底面與待測(cè)物的距離L’。
[0022]進(jìn)一步地，所述步驟A具體包括:
[0023]Al.在超聲波探頭一正下方的已知固定距離L處設(shè)置一反射物；
[0024]A2.通過(guò)中央處理器發(fā)出發(fā)射信號(hào)，發(fā)射信號(hào)經(jīng)變壓器驅(qū)動(dòng)電路一升壓后驅(qū)動(dòng)超聲波探頭一發(fā)送超聲波，超聲波探頭一發(fā)送超聲波時(shí)的時(shí)間為11;
[0025]超聲波探頭一發(fā)送出來(lái)的超聲波在遇到固定距離L處的反射物后被反射回來(lái)，被反射回來(lái)的超聲波回波被所述超聲波探頭一接收，并將其轉(zhuǎn)化成超聲波回波信號(hào)，超聲波回波信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形電路一處理后傳回給中央處理器觸發(fā)采樣，超聲波探頭一接收到超聲波回波的時(shí)間為t2;
[0026]中央處理器計(jì)算超聲波探頭一發(fā)送超聲波和接收到超聲波回波的這段時(shí)間t，所述t = t2_tl ；
[0027]tl是超聲波探頭一發(fā)射超聲波時(shí)的時(shí)間(也就是發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)間)，t2是超聲波探頭一接收到反射回來(lái)的超聲波回波的時(shí)間(也就是中央處理器接收到回波信號(hào)的時(shí)間)，其中超聲波探頭一將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)、然后信號(hào)的放大、濾波、整形這些時(shí)間極短，可忽略。
[0028]A3.中央處理器根據(jù)公式:V實(shí)=s/t = 2L/(t2-tl)，計(jì)算得出當(dāng)時(shí)的實(shí)際聲速V實(shí)，并將測(cè)得的聲速存儲(chǔ)在中央處理器中；
[0029]步驟B中的超聲波探頭為超聲波探頭二，對(duì)應(yīng)地，所述步驟B中的變壓器驅(qū)動(dòng)電路為變壓器驅(qū)動(dòng)電路二，放大、濾波、整形電路為放大、濾波、整形電路二。
[°03°]在另一種方案中，所述步驟A具體包括:
[0031]Al.通過(guò)中央處理器發(fā)出信號(hào)給與中央處理器相連的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連的反射物移動(dòng)到超聲波探頭正下方的已知固定距離L處；
[0032]A2.通過(guò)中央處理器發(fā)出發(fā)射信號(hào)，發(fā)射信號(hào)經(jīng)變壓器驅(qū)動(dòng)電路升壓后驅(qū)動(dòng)超聲波探頭發(fā)送超聲波，超聲波探頭發(fā)送超聲波時(shí)的時(shí)間為tl;
[0033]超聲波探頭發(fā)送出來(lái)的超聲波在遇到已知固定距離L處的反射物后被反射回來(lái)，被反射回來(lái)的超聲波回波被所述超聲波探頭接收，并將其轉(zhuǎn)化成超聲波回波信號(hào)，超聲波回波信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形電路處理后傳回給中央處理器觸發(fā)采樣，超聲波探頭接收到超聲波回波的時(shí)間為t2;
[0034]中央處理器計(jì)算超聲波探頭發(fā)送超聲波和接收到超聲波回波的這段時(shí)間t，所述t= t2_tl ；
[0035]tl是超聲波探頭發(fā)射超聲波時(shí)的時(shí)間(也就是發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)間)，t2是超聲波探頭接收到反射回來(lái)的超聲波回波的時(shí)間(也就是中央處理器接收到回波信號(hào)的時(shí)間)，其中超聲波探頭將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)、然后信號(hào)的放大、濾波、整形這些時(shí)間極短，可忽略。
[0036]A3.中央處理器根據(jù)公式:V實(shí)=s/t = 2L/(t2-tl)，計(jì)算得出當(dāng)時(shí)的實(shí)際聲速V實(shí)，并將測(cè)得的聲速存儲(chǔ)在中央處理器中；
[0037]在步驟B之前，包括步驟B0:通過(guò)中央處理器發(fā)出信號(hào)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)收回，將所述反射物移出超聲波的測(cè)量范圍；
[0038]所述步驟A和步驟B中的超聲波探頭為同一超聲波探頭，對(duì)應(yīng)地，所述步驟A和步驟B中的變壓器驅(qū)動(dòng)電路及放大、濾波、整形電路分別為同一電路。
[0039]進(jìn)一步地，所述基于實(shí)測(cè)聲速的超聲波測(cè)距方法包括:<