基于实测声速的超声波测距方法及超声波传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于实测声速的超声波测距方法及超声波传感器，具体涉及一种能使超声波测量不受外界影响的、高稳定性和高精度的基于实测声速的超声波测距方法及超声波传感器，属于超声波测量技术领域。
【背景技术】
[0002]超声波传感器作为非接触式传感器有着安装方便、稳定性高、不受介质污染等方便的优点，能大量应用到工业、农业等各种液位测量的场合，特别是在有毒、有污染的场合，因此，超声波传感器有着其他种类测距传感器无可比拟的优点。但是由于超声波测量容易受到外界环境的影响，补偿方式不完善，导致测量可重复性和精度的不高，因此只能在测量精度要求不高或者室内外界环境变化不大的情况下使用。
[0003]超声波传感器的原理是通过超声波在空气中传播的时间和声波的传输速度计算得到距离。然而声速并不是一成不变的，它是随着外界环境的变化而有所变化，其中影响声速变化的因素有温度、压力、湿度、空气质量等。
[0004]传统的超声波传感器主要通过测量温度去计算近似得到声速。这种方法存在的缺点是:
[0005]首先，测量的温度不能及时正确的反应出当时空气中的温度；
[0006]其次，声速不仅仅是受温度影响，它还受空气湿度、空气压力、空气质量等方面的影响。
[0007]因此利用该种方法测得的声速去计算测量距离时还是容易受到外界环境的影响，导致测量距离的不准确，从而测量可重复性不高，误差大。因此，现有超声波传感器测量的可重复性和精度不高，容易受空气温度，空气压力，空气湿度，空气质量等外界环境的影响。
[0008]CN104483380A公开了一种基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法及测量装置，采用I只收发一体式超声波换能器，通过发射信号经传感器管体另一侧内壁反射后，测量接收信号的传播时间来实现气体浓度测量，降低了超声波换能器的安装难度，减少了成本;同时通过内置的温度传感器来实现温度动态补偿，首先建立待测气体在两种浓度下的温度与声速补偿曲线;再根据当前实测温度，利用温度与声速补偿反推出两种浓度的待测气体在当前温度下的传播速度，并实时建立处浓度与传播速度的关系曲线;根据当前温度下的传播时间计算出传播速度，并带入实时曲线中即可计算出实时浓度，保证超声波氧气浓度传感器在不同温度下的测量准确性。
[0009]该对比文件中公开的超声波测量方法采用的是传统的用测量温度去补偿声速的方式，仍然容易受环境的影响。并且从原理上说明了声速还受空气浓度的影响。
[0010]CN204214517U公开了一种拥有自动校准功能的超声波液位测量系统，包括微控制器、发射电路、接收电路和超声波探头，还包括温度补偿电路，在所述超声波探头和被测目标之间设置有一金属杆，通过实测声速和温度测量进行自动校准，测量精度高，实现对液位的精确测量。
[0011]该对比文件中公开的超声波液位测量系统，虽然采用了金属管补偿的方式，但是在实际测量中还是以温度测量声速为准，以金属管做为偏移后的补偿，这样导致小范围内测量偏差比较大。另外，由于此种方法的超声波探头同一时间测量金属杆和液位，所以很容易受到虚假回波的干扰，造成测量不稳定。
【发明内容】
[0012]本发明所要解决的技术问题是，提供一种使超声波测量不受外界影响的、高稳定性和高精度的基于实测声速的超声波测距方法及超声波传感器。
[0013]为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案如下:
[0014]基于实测声速的超声波测距方法，具体包括以下步骤:
[0015]A、设置已知固定距离L，利用超声波探头测出当时的实际声速V实；
[0016]B、利用步骤A中测得的实际声速V实测量超声波探头底面与待测物的距离L’，步骤B具体包括:
[0017]B1.通过中央处理器发出发射信号，发射信号经变压器驱动电路升压后驱动超声波探头发送超声波，超声波探头发送超声波时的时间为11’；
[0018]超声波探头发出来的超声波在遇到待测物后被反射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头接收，并将其转化成超声波回波信号，超声波回波信号经放大、滤波、整形电路处理后传回给中央处理器触发采样，超声波探头接收到超声波回波的时间为t2’；
[0019]中央处理器计算超声波探头发送超声波和接收到超声波回波的这段时间t’，所述t，=t2，_tl，；
[0020]11，是超声波探头发射超声波时的时间(也就是发出驱动信号的时间)，t2 ’是超声波探头接收到反射回来的超声波回波的时间(也就是中央处理器接收到回波信号的时间)，其中超声波探头将超声波信号转变成电信号、然后信号的放大、滤波、整形这些时间极短，可忽略。
[0021]B2.中央处理器获取实际声速V实，并根据公式:L’ =V实X(l/2t’)= l/2V实(t2’_tl，)，计算得出超声波探头底面与待测物的距离L’。
[0022]进一步地，所述步骤A具体包括:
[0023]Al.在超声波探头一正下方的已知固定距离L处设置一反射物；
[0024]A2.通过中央处理器发出发射信号，发射信号经变压器驱动电路一升压后驱动超声波探头一发送超声波，超声波探头一发送超声波时的时间为11;
[0025]超声波探头一发送出来的超声波在遇到固定距离L处的反射物后被反射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头一接收，并将其转化成超声波回波信号，超声波回波信号经放大、滤波、整形电路一处理后传回给中央处理器触发采样，超声波探头一接收到超声波回波的时间为t2;
[0026]中央处理器计算超声波探头一发送超声波和接收到超声波回波的这段时间t，所述t = t2_tl ；
[0027]tl是超声波探头一发射超声波时的时间(也就是发出驱动信号的时间)，t2是超声波探头一接收到反射回来的超声波回波的时间(也就是中央处理器接收到回波信号的时间)，其中超声波探头一将超声波信号转变成电信号、然后信号的放大、滤波、整形这些时间极短，可忽略。
[0028]A3.中央处理器根据公式:V实=s/t = 2L/(t2-tl)，计算得出当时的实际声速V实，并将测得的声速存储在中央处理器中；
[0029]步骤B中的超声波探头为超声波探头二，对应地，所述步骤B中的变压器驱动电路为变压器驱动电路二，放大、滤波、整形电路为放大、滤波、整形电路二。
[°03°]在另一种方案中，所述步骤A具体包括:
[0031]Al.通过中央处理器发出信号给与中央处理器相连的传动机构，驱动传动机构将与传动机构相连的反射物移动到超声波探头正下方的已知固定距离L处；
[0032]A2.通过中央处理器发出发射信号，发射信号经变压器驱动电路升压后驱动超声波探头发送超声波，超声波探头发送超声波时的时间为tl;
[0033]超声波探头发送出来的超声波在遇到已知固定距离L处的反射物后被反射回来，被反射回来的超声波回波被所述超声波探头接收，并将其转化成超声波回波信号，超声波回波信号经放大、滤波、整形电路处理后传回给中央处理器触发采样，超声波探头接收到超声波回波的时间为t2;
[0034]中央处理器计算超声波探头发送超声波和接收到超声波回波的这段时间t，所述t= t2_tl ；
[0035]tl是超声波探头发射超声波时的时间(也就是发出驱动信号的时间)，t2是超声波探头接收到反射回来的超声波回波的时间(也就是中央处理器接收到回波信号的时间)，其中超声波探头将超声波信号转变成电信号、然后信号的放大、滤波、整形这些时间极短，可忽略。
[0036]A3.中央处理器根据公式:V实=s/t = 2L/(t2-tl)，计算得出当时的实际声速V实，并将测得的声速存储在中央处理器中；
[0037]在步骤B之前，包括步骤B0:通过中央处理器发出信号给传动机构驱动传动机构收回，将所述反射物移出超声波的测量范围；
[0038]所述步骤A和步骤B中的超声波探头为同一超声波探头，对应地，所述步骤A和步骤B中的变压器驱动电路及放大、滤波、整形电路分别为同一电路。
[0039]进一步地，所述基于实测声速的超声波测距方法包括:<