由于声波向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过声波来实现。利用声波检测往往迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量度方面能达到业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。

原理

二、 声波测距原理

1、 声波发生器

为了研究和利用声波，人们已经和制成了许多声波发生器。总体上讲，声波发生器可以分为两大类:类是用电气方式产生声波，类是用机械方式产生声波。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、液哨和气旋笛等。它们所产生的声波的频率、率和声波性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式声波发生器。

2、压电式声波发生器原理

压电式声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来作的。声波发生器内结构如图1所示，它有两个压电晶片和个共振板。当它的两外加脉冲信号，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，便产生声波。反之，如果两电间未外加电压，当共振板接收到声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为声波接收器了。

3、声波测距原理

声波发射器向某方向发射声波，在发射时刻的同时开始计时，声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，声波接收器收到反射波就立即停止计时。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=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。

声波测距的原理是利用声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，声波测距原理与雷达原理是样的。

测距的公式表示为:L=C×T

式中L为测量的距离长度;C为声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的半)。

声波测距主要应用于倒车提醒、建筑地、业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的度往往只能达到厘米数量。

由于声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体度测量的理想手段。在的液位测量中需要达到毫米的测量度，但是目前内的声波测距用集成电路都是只有厘米的测量度。通过分析声波测距误差产生的原因，提测量时间差到微秒，以及用LM92温度传感器行声波传播速度的补偿后，我们的度声波测距仪能达到毫米的测量度。

声波测距误差分析

根据声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

时间误差

当要求测距误差小于1mm时，假设已知声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。

在声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值度只要在达到微秒，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

声波传播速度误差

声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越则声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。

已知声波速度与温度的关系如下:

式中: r -气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，

R -气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M-气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，

T -温度，273K+T℃。

近似公式为:C=C0+0.607×T℃

式中:C0为零度时的声波速度332m/s;

T为实际温度(℃)。

对于声波测距度要求达到1mm时，就把声波传播的环境温度考虑去。例如当温度0℃时声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的声波速度变化为18m/s。若声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5cm。