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本帖最后由 linccfzu 于 2020-7-11 05:35 编辑
前言：
我打算和大家分享一个知识，如何通过超声波进行测距，同时让分辨率最高达到0.01mm,精度最高达到0.1mm。
很可惜这东西没办法也不能做出来卖，因为那么高精度又贵而且你买来也没什么用，基本上都是用在比较专业的领域上，比如车联网、结构安全监控等。
主要分享设计的过程，包括以下一些知识点，可以帮助大家更好的掌握一些知识：
1、硬件电路原理，包括陶瓷片选型、激励控制、回波采集、信号放大、带通滤波等；
2、stm32单片机的编程，包括数字信号处理，dsp库的使用等；
3、fpga的编程，fpga与单片机的通讯，fpga信号采集，fifo IP核的使用等；
4、matlab上位机的编程，回波监控、软件算法验证等；
4、python的编程，用python做上位机，配置工具，在线升级等；
这一篇是理论篇，超声波测距的基本原理就是：
1、发出一个超声波信号，频率、大小可调；
2、检测回波信号，回波包络的检测，回波起点的检测；
3、计算出超声波传播时间；
4、由 距离 = 速度 * 时间，算出距离；
这里主要介绍一下超声波速度。
超声波在空气中的传播速度：
这个我们上学的时候知道，超声波在空气中的传播速度约 340m/s.
而实际情况，超声波在空气中的传播速度 受以下几个因素影响：
1、温度
2、气压
3、湿度
4、风速
5、超声波频率（论文里有提到，但影响非常小，我没研究）
1、温度影响是最大的，但是温度是比较好补偿的；
粗略的补偿公式是：
C ≈ 331.3 + (0.6 × T) (m/s)
精确的补偿公式是：
C = 331.3 × √ (1+(T / 273.15)) (m/s)
注：参考地址 http://www.sengpielaudio.com/calculator-speedsound.htm
2、气压、湿度、以及风速
气压和湿度影响比较小，但是实际不好测量，所以不好补偿：
它们之间的关系可以参考以下文章：
http://www.sengpielaudio.com/calculator-speedsound.htm
风速更不好控制，实际应用中应当避免有风的环境。
当然，声速还有一种测量方式可以得到，就是设计一个固定挡板距离，通过 速度 = 距离 ➗ 时间 得到，
但是这样做增加了设备以及其他问题，需要统合考虑。
超声波在水中的传播速度：
这个我研究了以下，有三个数据来源：
第一个是海洋中的声音速度：
c = 1449.2 + 4.6× T -0.055× T 2 + 0.00029× T 3 +（1.34-0.01× T）·（ s -35）+ 0.0163× z
T =摄氏温度
s =盐度（千分之一）
z =深度（米）
来源：http://www.sengpielaudio.com/calculator-airpressure.htm
这个在蒸馏水中测不是很准。
第二个是：
v=1468+3.68(t-10)-0.0279(t-10)²
这个是在万方数据库 上 查论文找到的，但实际测量这个也不是很准，达不到我的精度要求；
上传这篇论文：
第三个是：
温度与水中声速对照表
上传这个表格：
这个我验证过了，很准。
你可以将数据导入到matlab,做出一条拟合曲线来：
例如三阶拟合：
V = 0.00017816f*T*T*T - 0.05177f*T*T + 4.9351f*T + 1402.8f; //水的声速
是不是很想知道我是怎么验证的，我们买了一个声速仪：
这东西是国外的，6万块，精度变态的高，误差到达 ±0.020 m/s ，上面那个表格才0.1m/s的精度，到现在我还没研究它是怎么做到的。
官网购买地址：https://www.valeport.co.uk/produ ... nd-velocity-sensor/
最后，这只是蒸馏水的速度，实际的水也没那么干净，如果你要测其他液体的声速，比如油、酸、防冻液等，
还是要在实验室环境下进行测量，再拟合出相关液体的温度曲线。
好了，这篇就写到这里了，都是个人经验，希望大家提出错误和补充。
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发表于 2020-7-11 05:26:33
发表于 2020-7-14 19:33:39
