超聲波測(cè)距精度的探討在瓦楞紙板生產(chǎn)線上進(jìn)行原紙破損檢測(cè)及其他卷徑檢測(cè)中,采用超聲波脈沖回波測(cè)量是一種較好的非接觸式的檢測(cè)方式。與其他方法相比,該測(cè)量方法在惡劣環(huán)境下適應(yīng)能力強(qiáng)。其回波信號(hào)包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息也很容易檢測(cè)出來(lái)。
設(shè)超聲波傳感器至卷軸中心之間的距離為H,至紙卷外徑距離為h,空氣中超聲波傳輸速度為c,超聲波在傳感器與紙卷外經(jīng)之間的傳播為t,則紙卷半徑r: r=H-h=H-0.5ct
(1) 1、溫度補(bǔ)償在H已知的情況下,顯然影響測(cè)量精度的因素主要是超聲波傳播速度c的確定和往返時(shí)間t的測(cè)定。超聲波在空氣中的傳波速度主要取決于聲波傳播路徑環(huán)境溫度T,即: c=20.0544(T+273.16)1/2
(2) 式中t為環(huán)境的攝氏溫度測(cè)量,由于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境受風(fēng)機(jī)、蒸汽等的影響,溫度變化比較大,電氣干擾也比較強(qiáng)。例如,在環(huán)境溫度為30℃,h為1.5m,溫度變化5℃時(shí),卷徑的測(cè)量誤差△r為: △r=-(1/2)h. △T/(T+273.16) ≈12.4mm
(3) 顯然,溫度對(duì)生產(chǎn)的影響是不能忽略的。解決的方法就是準(zhǔn)確地測(cè)量出當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度,以式(2)來(lái)計(jì)算當(dāng)時(shí)的聲速。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度可利用三端集成溫度傳感器T(LM35),其靈敏度可達(dá)10mv/℃,再通過(guò)高精度、低漂移的集成儀器放大器AM(AD620A)放大,送入A/D,由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算(如圖1所示)。利用這種處理方式,溫度測(cè)量不難做到0.1℃的誤差,因而在同樣情況下,卷徑的測(cè)量誤差△r僅為: △r=-(1/2)h△T/(T+273.16) ≈0.25mm
(4) 這足以滿足了對(duì)卷徑的測(cè)量要求。 圖1 溫度測(cè)量框圖在測(cè)量距離較大時(shí),傳播途徑上溫度是不均勻的,ho難以測(cè)出其溫度分布。這時(shí),可采用標(biāo)準(zhǔn)距離校正的方法。這種方法是在超聲波傳播路徑中的適當(dāng)位置h0上安裝一固定的反射板,由超聲波傳感器發(fā)出的聲波一部分直接由反射板反射回來(lái),其傳輸時(shí)間為t0,則ho為: ho=0.5ct0 另一部分則由被測(cè)目標(biāo)反射回來(lái),其傳輸時(shí)間為t,則h為: h=0.5ct 這樣,紙卷半徑r便可由下式表示: r=H-hot/to
(5) 此時(shí)紙卷半徑的測(cè)試精度只取決于反射板的安裝精度和回波時(shí)間的測(cè)量精度,而與超聲波的聲速無(wú)關(guān),也即消除了溫度、濕度、粉塵、氣流、氣壓等的影響。值得注意的是,要適當(dāng)選擇反射板的安裝位置,使之反射回波不要與被測(cè)目標(biāo)的反射回波混迭,并且不要使超聲波受到過(guò)多的干擾。
2、回波時(shí)間t的測(cè)定回波時(shí)間t的測(cè)定是由回波前沿決定的,為抗干擾,通常選取一定的門限值,接收回波的包絡(luò)線大于門限值時(shí)確定為回波的到達(dá)的時(shí)間,顯然這里有一個(gè)原理上的滯后,并且在信噪比較小的情況下,誤差就會(huì)比較大。通過(guò)對(duì)超聲波接收回波的觀察分析,發(fā)現(xiàn)接收回波包絡(luò)檢波后,其包絡(luò)線前沿為指數(shù)上升曲線,大約在第九個(gè)波到包絡(luò)線的峰頂,第三個(gè)波近似為峰頂?shù)?5%,因此提出一種自適應(yīng)門限的檢測(cè)方法。一般根據(jù)超聲波傳感器的頻率特性;在空氣中通常選超聲波頻率為40KHz,則接收回波包絡(luò)線到達(dá)峰頂?shù)臅r(shí)間為9/40 KHz=0.225ms,當(dāng)測(cè)量距離為1~2m時(shí),可選超聲波發(fā)射周期為16ms,占空比為1/8。8個(gè)周期為一個(gè)脈沖列,二列脈沖間隔為32ms,回波的第一個(gè)周期的峰值作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),以該值的75%作為門限值,測(cè)出時(shí)間t1,由此可以計(jì)算出超聲波回波真實(shí)的到達(dá)時(shí)間為: t=t1-2.2/40KHz=t1-55×10-6 這樣可避免直接以過(guò)0檢測(cè)脈沖回波達(dá)到時(shí)間,因干擾噪聲而引起的測(cè)量誤差,同時(shí)還可以消除接收回波信號(hào)強(qiáng)弱不同造成測(cè)量誤差。 圖2 接收回波前沿波形 3、超聲波軟件設(shè)計(jì)對(duì)于該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),主要完成以下幾個(gè)方面的控制程序及內(nèi)容: (1)CPU(8751單片機(jī))的初始化; (2)CPU(8751單片機(jī))、INT0及INT1的中斷控制程序; (3)控制8751中的P1.3腳的置位與清零; (4)控制延時(shí)1ms; (5)讀取U2、U3所記數(shù)據(jù),并算; (6)計(jì)算S值,并控制顯示數(shù)據(jù)。根據(jù)以上要求,列出超聲波測(cè)距儀的程序流程圖(如圖3所示)。 圖3 超聲波測(cè)距儀程序流程圖 4、抗扇糯朧?/STRONG> 由于本超聲波徑測(cè)量裝置測(cè)量距離較小,故采用一只壓電陶瓷雙向晶體超聲波傳感器兼作發(fā)射與接收,因此存在一定的自身干擾(發(fā)身與接收采用兩只壓電陶瓷超聲波傳感器時(shí),同樣也有這個(gè)問(wèn)題,只是自身干擾要小些)。另外,瓦楞紙板生產(chǎn)線電氣干擾較多,再加上現(xiàn)場(chǎng)粉塵、氣流等的影響,使超聲波卷徑檢測(cè)裝置測(cè)量時(shí)受到干擾尤為嚴(yán)重。系統(tǒng)抗干擾措施必須從硬件和軟件兩個(gè)方面著手。為了抵制外部干擾,接收裝置前置放大級(jí)采用LG并聯(lián)諧振回路,其頻率為40KHz,從而有效地抵制了事0KHz以外的各種頻率成分干擾。但要注意諧振回路帶寬不能太窄,以免降低了電路的穩(wěn)定性,甚至還可能會(huì)引起放大器自激。電路元器件要選用低噪聲器件,采取合理的電路布局,良好的印刷板電路走線,并注意進(jìn)行屏蔽。軟件方面采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),利用算數(shù)平均值濾波和相關(guān)濾波以抵制芝帶的隨機(jī)噪聲,以及在測(cè)量時(shí)間內(nèi)近似呈現(xiàn)周期性的干擾。通過(guò)以上處理,可以有效地從強(qiáng)干擾背景中提取波形已知、到達(dá)時(shí)間未知的有用信號(hào)。 5、電路主要改進(jìn)措施 (1) 由單片機(jī)控制發(fā)射脈沖形式,如圖4所示。 圖4 發(fā)射脈沖形式 (2)發(fā)射功率由單片機(jī)計(jì)算出的包絡(luò)線峰值確定其大小,使接收回波包絡(luò)線峰值保持在合理幅度上。 (3)自每個(gè)發(fā)射脈沖Ton(Ton=2ms)的后沿起1ms內(nèi)封鎖接收回路,以抗混響干擾。并且放大回路增益在接收時(shí)間(Tof的后15ms)內(nèi)依指數(shù)曲線增加,以降低傳感器前方粉塵及其他障礙物引起的反射回波造成的干擾(此反射回波一般是指按規(guī)律衰減)。 6、結(jié)束語(yǔ) 提高超聲波測(cè)距精度具有現(xiàn)實(shí)意義,本文就瓦楞紙板生產(chǎn)線原紙卷徑檢測(cè)作出的誤差分析和提高超聲波測(cè)距精度的措施也適用于其他超聲波測(cè)量領(lǐng)域。
