高精度超声波测量系统的设计与开发

摘要

本论文研究的是使用高精度超声波系统来测量距离和温度。
　　 首先,利用不同频率的超声波信号在超声波传播同一距离后,产生不同的相位差的原理,设计了多频率相位差法的超声波测距系统。在空气中使用多个连续发射的超声波来精确的测量距离,主要使用三个不同但很接近的超声波频率,在超声波发射器与接收器是同一个距离的条件下,分别得到三个不同的相位差来实现测距。系统利用单片机,设计多频率连续波的发生器和相位检测器,通过记录并计算相位差的信息和距离,再将数据送到LCD(液晶屏幕)或PC。PC用于校正系统,校正后的多频率相位差法的超声波系统可独立操作并在LCD上显示距离。使用该系统进行了距离检测测试,距离范围超过1500mm,可测量的解析度高达0.05mm。测试表明,此超声波测距系统的主要优点是解析度高、使用低成本的窄频超声波发射器并且容易实现和操作。
　　 其次,利用在一对超声波发射器和接收器之间的空气中,其平均温度与音速有高度联系的原理,设计了超声波测量温度的新方法。将两个低成本的40khz超声波转换器放置在保温箱中。使用面对面的方式来连续发射和接收超声波,两个频率按顺序发射出去就可以得到个别的相位差,当超声波发射器和接收器的距离固定时,比较两个频率的相位差来得到超声波速度的精确值。超声波的测音速系统实现对保温箱快速精确的温度监控,利用单片机设计两个频率连续波的发射器和相位检测器,记录和计算相位差的信息来重建温度,然后再送到PC。PC主要用来校正系统并对保温箱的温度记录和控制。根据理论推导,当超声波发射器和接收器的距离在1000mm时,温度解析度在0.2度以内,在测试中测量的精度为1度。超声波温度检测系统的优点是高解析度、成本低和容易实现。