超聲波測距越遠為什麼誤差大

1. 超聲波測量距離有哪些缺點

①超聲波的傳播速度相對電磁波來說慢得多，當汽車在高速公路上以每小時上百千米速度行駛時，超聲波測距無法跟上車距的實時變化，誤差大。

②方向性差，發散角大。由於發散使能量大大降低，另一方面使分辨力下降，導致誤將鄰車道的車輛或路邊的物體作為測量目標。

2. 超聲波測距 意義

一般認為，關於超聲的研究最初起始於1876 年F1Galton 的氣哨實驗。當時Galton 在空氣中產生的頻率達300K Hz, 這是人類首次有效產生的高頻聲。而科學技術的發展往往與一些偶然的歷史事件相聯系。對超聲的研究起到極大推動作用的是，1912 年豪華客輪Titanic號在首航中碰撞冰山後的沉沒，這個當時震驚世界的悲劇促使科學家們提出用聲學方法來預測冰山，在隨後的第一次世界大戰中，對超聲的研究得以進一步的促進。
近些年來，隨著超聲技術研究的不斷深入，再加上其具有的高精度、無損、非接觸等優點，超聲的應用變得越來越普及。目前已經廣泛的應用在機械製造、電子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工業領域。此外在材料科學、醫學、生物科學等領域中也占據重要地位。
而我國，關於超聲的大規模研究始於1956年。迄今，在超聲的各個領域都開展了研究和應用，其中有少數項目已接近或達到了國際水平。
中國測試技術研究所李茂山在《超聲波測距原理及實踐技術》中詳細地闡述了超聲波的測距原理，並給出了實現超聲波測距的具體框圖，並討論了影響超聲波測距精度的幾種原因。在本文中，他並未提及超聲波測距所需的一些具體電路，只是給出了測距一般所需的電路名稱，沒有提及各種電路間的匹配。
1998年，曼內斯德馬泰克(秦皇島)有限公司推出了一種數字式超聲波位移測量儀，李忠傑在《數字式超聲波位移測量儀的研究》一文中介紹了這種數字式超聲波位移測量儀的結構，工作原理和功能，其數據處理藉助於單板機，給出了程序框圖，對儀表的各部分硬體電路做了較詳細的說明，並列出了部分儀表的實測數據，並分析了誤差產生的原因。在此文中，給出了超聲波測距儀在對液壓缸位移進行測量時與其它位移感測器的優勢所在，並給出了單片機的程序框圖。中國科學院上海聲學實驗室的王潤田在《雙頻超聲波測距》一文中提出了一種雙頻超聲波測距的原理和方法，由於空氣對超聲波的吸收與超聲波的平方成正比，因此，用來測距的超聲波的頻率不能很高，但另一方面頻率越低，波長越長，測長的絕對誤差就越大，測距的范圍加大與測量精度實際上是一對矛盾。王潤田提出，為了在一個較長的范圍內達到測距的精度，在測距時同時發射兩個頻率的超聲波，頻率較大的測較近的距離，頻率較小的測較長的距離，這樣在較大的范圍內實現較高的測距精度。
隨著計算機技術、自動化技術和工業機器人的不斷發展和廣泛應用，測距問題顯得越來越重要。目前常用的測距方式主要有雷達測距、紅外測距、激光測距和超聲測距4種。與其他測距方法相比較，超聲測距具有下面的優點：
(1) 超聲波對色彩和光照度不敏感，可用於識別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)。
(2) 超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用於黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環境中。
(3) 超聲波感測器結構簡單、體積小、費用低、技術難度小、信息處理簡單可靠、易於小型化和集成化。因此，超聲波作為一種測距識別手段，已越來越引起人們的重視。

3. 超聲波與激光測距感測器區別

超聲波感測器和激光測距感測器性能上有很大區別，區別如下：

1、精度：超聲波感測器的測量精度是厘米級別的，感測器的測量精度是毫米級別的。
2、測量范圍：超聲波感測器的測量范圍一般在80米之內，而手持式激光測距感測器的測量范圍最高可高達200米，激光測距望遠鏡的測量范圍更是多達幾百幾千米，甚至更遠。
3、報錯概率：超聲波感測器容易報錯，主要因為超聲波感測器是聲波發射，具有聲波的扇形發射特性，當聲波經過之處障礙物較多時，反射回來的聲波較多，干擾較多，易報錯，而激光測距感測器是特別小的一束激光發射出去再回來，只要光束能通過的，幾乎沒有干擾。
4、價格：超聲波感測器的價格從幾十元到幾百元，感測器的價格從幾百元到幾千、幾萬元，根據精度及距離的不同而有很大的差距。

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4. 超聲波測距的原理

二、 超聲波測距原理
1、 超聲波發生器
為了研究和利用超聲波，人們已經設計和製成了許多超聲波發生器。總體上講，超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。
2、壓電式超聲波發生器原理
壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等於壓電晶片的固有振盪頻率時，壓電晶片將會發生共振，並帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。
3、超聲波測距原理
超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射後遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。
測距的公式表示為：L=C×T
式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發射到接收時間數值的一半)。
超聲波測距主要應用於倒車提醒、建築工地、工業現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。
由於超聲波易於定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度感測器進行聲波傳播速度的補償後，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。
超聲波測距誤差分析
根據超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。
時間誤差
當要求測距誤差小於1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。
在超聲波的傳播速度是准確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小於1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鍾基準的89C51單片機定時器能方便的計數到1μs的精度，因此系統採用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。
超聲波傳播速度誤差
超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超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系，如表1所示。
已知超聲波速度與溫度的關系如下：
式中： r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為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 —絕對溫度，273K+T℃。
近似公式為：C=C0+0.607×T℃
式中：C0為零度時的聲波速度332m/s；
T為實際溫度(℃)。
對於超聲波測距精度要求達到1mm時，就必須把超聲波傳播的環境溫度考慮進去。例如當溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達到5m，測量1m誤差將達到5cm。

5. 老師，我想問一下怎麼能確定超聲波測距的最大測距范圍

你好！
銘揚超聲波小編為您解答：超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射後遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。
測距的公式表示為：L=C×T
式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發射到接收時間數值的一半)。
超聲波測距主要應用於倒車提醒、建築工地、工業現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。
由於超聲波易於定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度感測器進行聲波傳播速度的補償後，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。
超聲波測距誤差分析
根據超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。
時間誤差
當要求測距誤差小於1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。
在超聲波的傳播速度是准確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小於1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鍾基準的89C51單片機定時器能方便的計數到1μs的精度，因此系統採用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內。
超聲波傳播速度誤差
超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超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系，如表1所示。
已知超聲波速度與溫度的關系如下：
式中： r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為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 —絕對溫度，273K+T℃。
近似公式為：C=C0+0.607×T℃
式中：C0為零度時的聲波速度332m/s；
T為實際溫度(℃)。
對於超聲波測距精度要求達到1mm時，就必須把超聲波傳播的環境溫度考慮進去。例如當溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達到5m，測量1m誤差將達到5cm。