超声波测距误差分析
超声波测距实验报告
超声波测距实验报告1. 实验目的1.掌握超声波测距的基本原理；2.熟悉超声波测距仪器的使用；3.培养实验操作能力和数据处理能力。
2. 实验原理超声波测距是利用超声波在空气中的传播速度和反射原理，通过测量超声波发射和接收之间的时间间隔来计算被测物体与测距仪之间的距离。
超声波在空气中的传播速度约为 340 m/s。
3. 实验器材与步骤3.1 器材1.超声波测距仪；2.连接线；3.测量物体。
3.2 步骤1.连接超声波测距仪与电源；2.打开超声波测距仪，进行自检；3.将测量物体放置在合适的位置；4.调整超声波测距仪的测量范围；5.记录测量数据；6.分析数据，计算距离。
4. 实验数据与分析本实验共进行五次测量，记录数据如下：序号 | 测量距离（cm） | 误差（cm） |— | ———— | ——– |1 | 150.0 | 2.0 |2 | 152.5 | 1.5 |3 | 148.0 | 2.0 |4 | 151.0 | 1.0 |5 | 149.5 | 1.5 |平均距离 = (150.0 + 152.5 + 148.0 + 151.0 + 149.5) / 5 = 150.0 cm最大误差 = 2.0 cm最小误差 = 1.0 cm5. 实验总结本次实验掌握了超声波测距的基本原理和操作方法，通过对测量数据的分析，得出被测物体与测距仪之间的平均距离为 150.0 cm，最大误差为 2.0 cm，最小误差为 1.0 cm。
实验结果表明，超声波测距技术在实际应用中具有较高的准确性和可靠性。
6. 建议与改进1.在实验过程中，要确保测量物体与测距仪之间的距离在测距仪的测量范围内；2.提高实验操作技巧，减小人为误差；3.后续可以尝试使用不同类型的超声波测距仪进行实验，比较其性能和精度。
7. 实验拓展7.1 超声波测距的应用领域超声波测距技术广泛应用于工业、农业、医疗、交通、安防等领域，例如：1.工业领域：测量物体的尺寸、厚度、距离等；2.农业领域：测量土壤湿度、作物高度等；3.医疗领域：测量人体内部器官的距离、厚度等；4.交通领域：车辆测距、速度检测等；5.安防领域：监控设备、报警系统等。
超声测距模块实验报告
一、实验目的1. 理解超声波测距的基本原理。
2. 掌握超声波测距模块的硬件连接与软件编程。
3. 学习使用超声波测距模块进行距离测量。
4. 了解超声波测距在实际应用中的优势与局限性。
二、实验原理超声波测距是利用超声波在介质中传播的速度和距离之间的关系来测量距离的一种方法。
当超声波发射器发出超声波时，它会遇到障碍物并反射回来。
通过测量发射和接收超声波之间的时间差，可以计算出障碍物与发射器之间的距离。
超声波在空气中的传播速度大约为340m/s。
设超声波发射器与接收器之间的距离为d，超声波从发射器传播到障碍物并返回所需的时间为t，则有：\[ d = \frac{v \times t}{2} \]其中，v为超声波在空气中的传播速度，t为超声波往返所需的时间。
三、实验设备1. 超声波测距模块HC-SR042. STM32单片机开发板3. 调试工具4. 电源5. 导线四、实验步骤1. 硬件连接（1）将超声波测距模块的VCC、GND、TRIG和ECHO引脚分别连接到STM32单片机的3.3V、GND、GPIO和中断引脚。
（2）将STM32单片机的电源和地连接到实验平台的电源。
2. 软件编程（1）编写STM32单片机的程序，用于控制超声波测距模块。
（2）程序主要包含以下功能：- 初始化GPIO和中断引脚；- 发送触发信号；- 读取回响信号；- 计算距离；- 显示距离。
（3）使用HAL库函数实现上述功能。
3. 调试与测试（1）将程序烧录到STM32单片机中。
（2）使用调试工具检查程序运行情况。
（3）调整超声波测距模块的位置，测试不同距离下的测量结果。
五、实验结果与分析1. 实验数据通过实验，得到以下数据：| 距离（cm） | 测量值（cm） || :--------: | :--------: || 10 | 9.8 || 20 | 19.7 || 30 | 29.6 || 40 | 39.5 || 50 | 49.4 |2. 数据分析实验结果表明，超声波测距模块的测量精度较高，误差在±1cm以内。
超声波测距实验报告
目录1、课题设计的目的和意义 (3)2、课题要求 (3)、基本功能要求 (3)、提高要求 (4)3、重要器件功能介绍 (4)、CX20106A红外线发射接收专用芯片 (4)、AT89C51系列单片机的功能特点 (5)、ISD1700优质语音录放电路 (6)4、超声波测距原理 (8)4．1、超声波测距原理图 (8)、超声波测距的基本原理 (9)5、硬件系统设计 (10)、超声波发射单元 (10)、超声波接收单元 (11)、显示单元 (11)、语音单元 (12)、硬件设计中遇到的难题： (12)6、系统软件设计 (14)7、调试与分析 (15)调试 (15)误差分析 (15)8、总结 (16)9、附件 (17)、总电路 (17)、主要程序 (18)10、参考文献 (22)1课题设计的目的及意义随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广，但就目前技术水平而言，人们可以利用的测距技术还十分有限，因此，这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，超声波测距作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都有很大的发展空间，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。
如声纳的发展趋势：研究具体的高定位精度的被动测距声纳，以满足军事和渔业等的发展需求，实现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。
超声波测距在某些场合有着显着的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量，所以他就能够在某些场合或环境比较恶劣的环境下使用。
比如测有毒或者有腐蚀性化学物质的液面高度或者高速公路上快速行驶汽车之间的距离。
随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最注重发展到具有创造力。
在新的时代，测距仪将发挥更大的作用。
2课题要求以单片机AT89C51为中心控制单元，配以超声波发射、接收装置，实现超声波发射及接收其遇到障碍物发生反射形成的回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，设计出一套基于单片机的脉冲反射式超声波测距系统，利用单片机进行操作控制，用数码管作输出显示，设计发射、接收、检测、显示硬件电路和测距系统软件。
超声波精确测距的研究
超声波精确测距的研究超声波测距是一种重要的无损检测技术，在工业、医疗和科研等领域具有广泛的应用价值。
随着科学技术的发展，对超声波测距的精度和稳定性的要求也越来越高。
本文将围绕超声波精确测距的研究展开，首先介绍超声波测距的背景和现状，然后提出存在的问题和相应的研究方法，最后分析实验结果并展望未来研究方向。
超声波测距的研究现状超声波测距的方法主要有时间差法、幅值法、频率法和相位法等。
其中，时间差法是最常用的方法，其原理是利用超声波传播速度与传播时间的乘积来确定距离。
目前，研究人员已经提出了多种优化时间差法测距的技术，如多普勒频移补偿、回波信号增强、噪声抑制等。
问题提出尽管现有的超声波测距方法已经取得了一定的成果，但仍存在一些问题。
首先，测距精度受到多种因素的影响，如超声波传播速度的变化、检测表面的粗糙度等。
其次，现有的方法在低噪声环境下测距效果较好，但在复杂环境下，如存在多径效应、衰减效应等时，测距精度和稳定性会受到较大影响。
因此，如何提高超声波测距的精度和稳定性是亟待解决的问题。
研究方法为了解决上述问题，本文采用了以下研究方法：1、实验设计：设计不同距离、不同材料的超声波测距实验，以模拟实际应用中的各种情况。
2、数据采集和处理：利用高精度数据采集卡和信号处理软件，获取超声波回波信号，并进行信号增强、噪声抑制等处理。
3、误差分析：通过对实验数据的分析，找出影响测距精度的主要因素，并对其进行误差分析。
实验结果与分析实验结果表明，超声波测距的精度和稳定性得到了显著提高。
在近场区域内，测距误差小于1%，稳定性良好；在远场区域内，测距误差略高，但仍在可接受范围内。
通过对实验数据的分析，发现超声波传播速度的波动和检测表面粗糙度是影响测距精度的主要因素。
在复杂环境下，本文所采用的方法具有较好的鲁棒性和抗干扰能力。
结论与展望本文通过对超声波精确测距的研究，提出了一种有效的优化方法，提高了测距精度和稳定性。
然而，仍存在一些局限性，如对复杂环境的适应能力有待进一步提高。
超声波流量计测量误差分析
超声波流量计测量误差分析摘要：导致超声波流量计测量产生误差的原因较多，在实际测量中，我们发现管道、探头是否清洁，测量温度、测量范围、标况压力与工作条件都是测量误差产生的原因。
为了提高超声波流量计测量的精度，使测量结果达到国家相关要求，本文对超声波流量测量误差原因进行了分析。
关键词：超声波流量计；测量；误差分析超声波流量计在医药、石化、环保、供水等领域的应用越发广泛，是新型流量计中的一个主要类型。
由于超声波流量计是以非接触方式对流量进行测量的，因此在具有放射性、强腐蚀、粘性、堵塞性、要求压损小、不允许介质泄露和有气泡等工况中有效地使用。
其中夹持式超声波流量计的使用最为广泛，尤其是在大管道大流量测量上的使用。
一、超声波的组成、特点与测量原理超声波流量计主要由三个部分组成，包括超声波换能器，流量显示及电子线路，累积系统。
超声波发射换能器能够将电能转换为超声波能量，并发射到被测的流体中，再由接收器接进行超声波信号的接受，接收到的超声波信号精电子线路放大，然后并转换为电信号（代表流量）进行显示，最后通过积算仪表进行显示和积算，最终实现流量的检测和显示。
超声波流量计是基于超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，通过接收到的超声波来进行流体流速的检测的，进而换算成流量（图1）。
图1 超声波流量计原理图超声波流量计的主要优点在于节能、适于难测介质及大管道测量、维修方便，同时检修较为方便，但目前超声波流量还存在几个主要的缺点，一是安装要求十分的严格；二是超声波换能铝、换能器与管道之间的耦合材料耐温程度对超声波流量计的可测流体的温度存在的限制；三是在高温下被测流体的传声速度原始数据并不完整。
二、超声波流量计测量误差分析在本研究中，以按照国家标准GB/T18604-2001设计的CL-1型多声道气体超声波流量计为例，进行测量误差分析。
某天然气场站天然气管网引进并投用了国产CL-1型气体超声波流量计，其设计精度等级为0.5级，并经检验满足准确度等级为1.0级的超声波流量计要求（国家石油天然气大流量计站检验）与国家计量检定规程，能够用于贸易交易。
超声波测距原理
一、超声波测距原理超声波测距原理是通过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时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v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即:S = v·△t /2 ①这就是所谓的时间差测距法。
由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。
在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。
常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。
如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。
已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为：V = 331.45 + 0.607T ②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机理。
二、系统硬件电路设计图2 超声波测距仪系统框图基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。
该系统由单片机定时器产生40KHZ的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。
单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。
工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。
当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。
下面分别介绍各部分电路：1 、超声波发射电路超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。
超声波测距原理及影响测距精度的因素
超声波测距原理及影响测距精度的因素1 测距原理分析 (1)2 影响测距精度的因素 (2)3 信号传输过程分析及斜入射影响分析 (3)①接收超声脉冲信号波形的数学模型 (3)②发射角和入射角对接收信号的影响 (4)1 测距原理分析目前，超声波传感器广泛用作测距传感器，常作为一种辅助视觉手段与其他视觉工具（如CCD图像传感器）配合使用，可有效提高机器的视觉功能。
超声波发生器可分为两大类：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。
电气类包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械类包括加尔统笛、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，因而用途也有所不同，目前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，其外观结构与内部结构如图1和图2所示。
图1 超声波接收、发射头图2 超声波传感器内部结构该传感器有两个压电晶片和一个共振板，当其两极外加脉冲信号，且频率从等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板震动产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接受到超声波时，将迫使压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回，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340m/s，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 （1）2/340t2 影响测距精度的因素除声速变化、噪声等影响因素外，声波在空气介质中声速的变化及散射，衰减的随机不均匀性，引起接受信号在幅度和时间轴上的起伏，是造成测距误差的一个主要原因。
图3所示为固定门限电平检测下由幅度起伏引起触发电路的信号前沿不同，所产生飞行时间（Time of flight）检测误差，起伏变化越大引起的误差就越大。
声波测距实验中的测量误差分析与校正方法
声波测距实验中的测量误差分析与校正方法声波测距作为一种常见的测距手段，在工程测量、地理测绘、航天航空等领域具有广泛的应用。
然而，在声波测距实验中，常常会受到各种因素的干扰而产生误差，因此，在进行声波测距实验时，对误差进行分析并采取相应的校正方法是非常重要的。
在声波测距实验中，误差来源主要有两个方面：仪器误差和环境误差。
仪器误差主要来自测量仪器的精度和漂移，包括发射元件和接收元件的误差；环境误差主要来自声波传播介质的非均匀性、传播途径的不确定性以及周围噪声的干扰。
首先，对于仪器误差，我们可以通过精确校准仪器来解决。
通过对发射元件和接收元件的输出信号进行校准，可以减小仪器误差对测距结果的影响。
可以使用标准测距仪器或者已知距离的参考物进行校准，从而提高测距仪器的精度。
其次，环境误差是影响声波测距结果的重要因素之一。
在声波传播介质非均匀的情况下，声波的传播速度会随着介质特性的变化而发生变化，导致测距误差。
为了解决这个问题，我们可以采用校正因子的方法，通过测量环境因素的变化，并将其转换为校正因子，对测距结果进行修正。
例如，在声波在空气中传播时，温度、大气压强的变化会影响声波传播速度，可以通过测量环境温度和大气压强，并使用标定曲线或者修正公式将其转换为校正因子，对测距结果进行修正。
此外，声波传播途径的不确定性也是产生测量误差的原因之一。
在复杂的环境中，声波会受到多次反射、折射和散射，导致声波路径的不确定性。
为了解决这个问题，我们可以采取多点测量和平均值法。
通过在不同位置进行多次测量，并对测距结果进行平均，可以减小测量误差，提高测距的准确性。
最后，周围噪声的干扰也是导致声波测距误差的重要因素。
在嘈杂的环境中，周围噪声会干扰声波的传播，影响测量结果。
为了解决这个问题，我们可以采用滤波方法。
可以使用数字滤波器或者频率域滤波器对接收到的声波信号进行滤波处理，去除噪声干扰，从而提高测距的准确性。
综上所述，声波测距实验中的测量误差分析与校正方法是非常重要的。
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超声波测距误差分析
—— 能“瞄准”的超声波测距传感器误差释疑
一、 背景
出于一个偶然原因，我设计了一个超声波测距传感器，并详细将其细节公开，起初目的是为了让学习单片机的同学多一个素材，为搞机器人的同学提供一个可以自己掌控的测距传感器，所以提供了配套的DIY 套件。
但推出后很多同学问我测量的精度是多少？
我本来认为这个是DIY 套件，无所谓精度，但细细想来，也有道理，不管怎样，这也是一个测量单元。
只要牵涉到测量，就应该有精度的概念，就要分析其误差来源和大小，使制作者心中有底，可以规划其可以使用的场合。
所以，在此将所做的超声波测距传感器误差分析一下，供大家参考。
二、 超声波测距原理
在分析误差之前，首先简要介绍一下超声波测距的原理：
以上为超声波测距的原理框图，所谓“测距”实质是计时，即通过测量声波从发射到收到反射波的时间，再根据声波的速度计算出距离。
这是一个十分简单的原理，但很有效，只是受声波物理特性的限制，无法实现长距离测
量，同时指向性略差。
三、测量误差的概念
在分析误差之前，需要先澄清测量误差的概念。
有很多同学问我：这个传感器精度多少？让我很难回答。
实际上，测量误差包含两个最基本的概念：
A.准确度 —— 测量值与真实值的偏差
B.精确度（稳定度）—— 多次测量结果的重复性。
此外还有：
a)线性度 —— 测量结果与被测量之间的关系是否为线性关系；
b)回差 —— 被测量从小到大的测量结果和从大到小的测量结果之间的偏差。
因为线性度问题在当今单片机十分普及的前提下，已不再影响测量，因为再复杂的关系曲线都可以借助于单片机换算为线性的，即使找不到数学表达式，用分段线性化方式，“以折代曲”也可以解决。
而回差是针对某些测量原理而存在的，对于超声波测距原理似乎不存在。
所以这两个指标此处不再讨论，重点讨论准确度和精确度。
所谓准确度，是针对某一类测量器具，在不加修正的情况下，它的测量结果和真实值之间的偏差。
如你有一把尺，用来测量某个长度为1m的东西，结果为1.002m，误差就是0.002m，这把尺的准确度就是0.002。
一批产品，由于制作的原因，不可能都准，所以需要给一个允许的误差范围，这就是产品的准确度，也就是“精度等级”。
但对于一个特定的测量器具，可以通过修正的方式来弥补误差，但是前提是测量的结果必须重复，即多次测量同一对象，其结果不变！
这就引出了“精确度”的概念，即数据的重复性，或者稳定性。
如果一个测量器具，其
测量结果不断变化，对于同一个对象，这次是1.000m，下次是1.005m，再下次是0.999m……，这样你将无法修正，因为无法确定测量结果的偏差到底多大。
从上述分析看，测量的稳定性，或者说精确度比准确度更重要，特别是针对一个特定的测量器具，而不是一批产品，因为特定的可以通过修正值消除误差。
对于你自己将要做的超声波测距传感器，应该属于一个特定的测量器具，完全有条件获取修正值，所以需要关注的是测量的精确度，也就是稳定性。
四、超声波测距误差分析
根据超声波测距的原理，测量误差的来源有：
1、启动发射和启动计时之间的偏差；
2、收到回波到被检测出的滞后；
3、收到中断到中断响应停止计时之间的滞后；
4、计时器本身的误差。
5、温度对声波速度以及上述因素的影响
大致为上述五个来源，逐一分析如下：
第一项偏差源于单片机一次只能处理一件事，所以启动发射和启动计时实际上是先后完成的，存在时差，但只要指令速度足够快，其偏差可以忽略，即使需要弥补，也有可能。
第二项误差源于检测电路的灵敏度和判断偏差，从收到实际回波到电路确认并输出相应信号肯定存在滞后，这和回波信号强弱、检测电路原理以及判断电路的敏感性相关，也是超声波测距的核心。
因为如果灵敏度过高，则会将一些干扰信号误作为回波，导致测量出错，如果过低，又大大限制了检测距离，因为回波衰减是距离的平方关系。
这部分误差是导致数据不稳定的主要来源，因为判断滞后会随着回波的强弱而变化。
第三项误差源于单片机的中断机制，收到中断信号后，单片机不可能立刻响应，至少要
完成当前的指令，有时还要等待其它中断服务结束，所以这个滞后时间也不确定，从而导致测量结果的变化。
但这个因素可以通过提高单片机速度，使用高优先级中断弱化之。
第四项误差源于计时器本身，由于目前多数使用晶体振荡器，其稳定度和准确度为20-50 PPM 级别，对于音速而言，其带来的误差在mm级（10us对应340m/s的音速）。
为减小此项误差，应该提高计时的最小单位，从而降低量化误差，同时选用质量好的晶振。
第五项误差是源于环境的影响，由于温度不同，音速会变化，计时的频率会变化，检测电路的灵敏度也会变化，所以比较复杂，通常可以借助测温修正音速变化，但后两个变化似乎只能忽略，好在其影响量有限。
五、能“瞄准”的超声波传感器之误差
我所设计的传感器针对上述误差来源做了如下处理：
1、采用速度较快的STC12LE5410AD单片机，其指令速度是经典51的8倍左右，
所用时钟为 22.1184MHz，对应的指令周期为最快为 0.045us（单周期指令），
平均约为0.1us。
2、回波检测采用TL852 电路，其最大特征在于变增益，它支持通过控制将增益逐
渐变大，这样可以利用单片机根据时间去控制，距离越近，回波时间越短，其信
号强度也越大，所以需要的灵明度可以略低。
随着距离加大，时间变长，回波信
号减弱，就需要提高增益，以检出信号。
这样处理就回避了固定增益带来的干扰
问题。
同时，发射电路采用了变压器升压，大大增加了发射强度，使得回波信号
相应增强，也为可靠检出信号提供了保证。
3、中断响应滞后问题也由于所选择的单片机速度快而化解。
4、计时精度部分，除选择较好的晶体外，此单片机可以以Fosc/2的速率计时，大
大提高了计时器的分辨率，降低了量化误差。
目前方案的计时最小单位为 0.09us
（对应22.1184MHz晶振），而经典51只能以 Fosc/12 的速率计时。
5、至于温度影响，本设计只是预留了一个18B20的位置，留给学习者自己去完成
吧，程序中未设计相应的处理。
为了更直观的了解本设计误差的实际情况，借助PC程序做了如下测试：
对墙测量(约1m)：
对屋顶测量（约1.8m）：
对墙测量（约4.3m）：
六、结语
从上述结果看，此方案的稳定性和分辨率都可以满足多数要求，也正是基于此，我才敢设计这个能“瞄准”的传感器，如果数据波动很大，那根本就无法区分两“耳”的距离差。
南京嵌入之梦工作室
2009年4月21日星期二。