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1 引言

1.1 课题提出的背景

一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。例如，液面测量

就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，

电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。利用超声波就

可以解决这些问题。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精

确度高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在 20kHz以上的声波，它属

于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分

界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有

这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中，超声波测距技术正在被广泛应用于人

们日常工作和生活之中。

1.2 课题研究的意义

由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其

它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、

高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、农业用水、

环保检测、食品、防汛、水文、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行

距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，

直接显示各种液位罐的液位、料位高度，在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波

检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达

到工业实用的指标要求。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在移动

机器人的研究和汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。

1.3 超声波测距的发展状况

一般认为，关于超声波的研究最初始于 1876 年 F.Galton 的气哨实验。当时 Galton

哨在空气中产生的频率达 300KHz，这是人类首次有效产生的高频声波。

这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非

接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子

冶金、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、等领域中也占据重要地位。

国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研究。

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超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，

二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来

提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降

低探测传输不确定度的方法。

意大利的 Carullo 等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的

回波包络，同时采用对环境的噪声进行估测，设置一定的回波开门电平，且采用自动

增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外也有大量的文献研

究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取

得了较好的结果。

随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广泛。当今对超声

波测距仪方面的技术是比较成熟的，在国内市场上，有多种超声波测距仪，且其性能

和测量范围都是非常优越的，完全满足实际应用的需要。

当然，这方面的技术虽然已经相当的成熟了，并不是说已经没有了研究其的必要

性了。其实不然，多数测距仪由于其功能的复杂，导致其市场价格飙升，而限制了它

在一些特殊场合的应用，例如物位（液位）检测，机器人防撞，各种超声波接近开关，

以及防盗报警等相关领域，只需作为整个系统的一部分而使用，因而需要研究一种既

简单，又实用；既经济又实惠的超声波测距系统，是势在必行的。

因此利用超声波是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未

来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空

间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声呐的

发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声呐，以满足水中武器实施全隐

蔽攻击的需要；继而发展采用低频线谱检测的潜艇拖拽线列阵声呐，实现超远程的被

动探测和识别。毋庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测

距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，面貌一新的测距仪将发挥

更大的作用。

1.4 超声波测距的基本原理

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。利用超声

波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化

为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电

能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机

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械能)转换为电能。

1.4.1 超声波发生器原理

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体

上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用

机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式

有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性

各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器

内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电

晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超

声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电

晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

1.4.2 超声波测距原理

最常用的超声测距的方法是回声探测法 ,超声波发射器向某一方向发射超声

波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即

返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度

为 C，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 s，即：

s=Ct/2.

由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关。在使用时，如果传播介质温

度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精

度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要

测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。

s=CΔt/2 (1－1)

式中，C 为超声波在空中的传播速度，0℃时为 331m/s,25℃时为 347m/s，其与环

境温度 T（℃）的关系如式（1-2）。

C=331.4+0.61×T (1－2)

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图 1.1 超声波测量距离原理示意图

超声波接收

超声波发射

由此可见，声速与温度有密切关系。如果温度变化不大，并且无特殊精度要求，

可认为声速是基本不变的。否则，必须进行温度补偿。温度补偿通常有两种方法：

补偿方法 1：每次先按照式(1-2)计算当时声速 C，然后再按照式(1-1)计算距离。

其特点是：根据当时的温度得到当时的精确声速，从而计算得到的距离也比较精确；

但程序中牵涉到浮点数运算，对于微处理器系统实现，难度相对较大。

补偿方法 2：根据当前的环境温度，查取特征温度值--声速表中最接近温度对应

的声速值，作为当前声速，然后按照式 (1-1)进行距离计算。其特点是：避免了复杂

的声速计算，可采用事先计算得到温度--声速二维表，将之固化到系统程序中，然后

直接使用查表法得到声速值，程序实现比较简单，但精度没有方法 1 高。

另外，从图 1-1 还可以看出，由于超声波利用接收发射波来进行距离的计算，因

而不可避免地存在发射与反射之间的夹角，其大小为 2α 。当α 很小时，可直接按式

（1-1）进行计算得到距离；但α 较大时，则必须进行距离修正，修正公式为式(1-3)。

C t

S=cosα × (1－3)

在式（1－3）中，倾角α 与超声波发射装置和接收装置的安装位置有关。我们在

实际应用时应注意适当安装。

2 超声波测距硬件设计概况

超声波测距仪主要包括：温度检测电路，超声波发射及控制电路，超声波接收及

信号处理电路，显示电路，微处理器及其辅助电路 5 部分组成。

2.1 整体电路设计

整体电路的控制核心为单片机 AT89S52。超声波发射和接收电路中都对相应信号

进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接OUT 口实现超声波的发

射和接收。另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使

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