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图2 超声波测距原理图
测距原理是超声波传感器发出超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声波传感器接收反射脉冲，测量超声波脉冲从发射到接收的时间，在已知超声波声速的前提下，利用公式
（1）
即可计算传感器与反射点之间的距离S，测量距离公式为
当S>>h时，d约等于S，即
2.3 主要测量参数
2.3.1 测距仪的工作频率
在空气中，频率对超声波的衰减影响很大，所以应合理选择超声波频率，一般在40kHz左右，若频率太高，超声波的衰减会致使其在空气无法传播开去。传感器的工作频率作为测距系统的主要技术参数直接影响超声波的扩散和吸收损失、障碍物的反射损失和背景噪声，并直接决定传感器的大小[4,5]。
（1）在测距要求很高的情况下，超声波的传播损失就会大幅增加，由于在介质中，超声波的衰减与频率的平方成正比，因此为了减小传播损失，就必须降低工作频率。
（2）对相同尺寸的换能器来说，工作频率越高，其指向性就越强，对障碍物的定位也越准，而且波长短，分辨率高，“细节”容易辨识清楚，为此要求提高工作频率。
（3）从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸越大，制造和安装就越困难。
（4）综上所述，选择测距仪的工作频率为40kHz。这样，传感器方向性强，且避开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失相对低频来说有所增加，但不会给发射和接收带来困难。
2.3.2 发射脉冲宽度
发射脉冲宽度是测距系统的重要参数，决定了测距装置的测量盲区，同时影响测量精度。为了减小测量盲区，提高测量精度，可以减小发射脉冲宽度。但发射脉冲宽度与发射功率有关，减小发射脉冲宽度，同时也减小了发射功率，对接收回波不利。本系统决定在短距离（2m内）测距时，发射200μs（8个40kHz方波脉冲）的发射脉冲宽度，在长距离（2m外）测距时，发射800μs（32个40kHz方波脉冲）的发射脉冲宽度。在此方式下，无论在接收回波信号幅度还是在测量盲区方面，脉冲宽度都比较合适，并且接收准确，响应速度较快。因此，在一般的长距离测距时，选择800μs的脉冲宽度。
2.3.3 声速
在常温下，超声波的传播速度一般为334m/s。实际情况却是：超声波属于声波范围，在空气中传播时同样要受到温度、湿度、压强等介质属性的影响，特别是受温度的影响较大，表1给出了几种不同温度环境下超声波在空气中传播的速度，另根据以往测得的数据显示，温度每升高1℃，超声波传播速度就增加约0.6m/s。因此，在测量精度要求比较高时，应采用温度补偿的方法将温度对超声波传播速度的影响计算在内。已知环境温度t时，空气中超声波传播速度V的计算公式即为[6]
表1 几种不同温度环境下超声波在空气中传播的速度2.3.4 测量盲区
在采用脉冲反射式超声波发射电路时，当发射信号结束时，由于机械惯性作用，发射探头仍有一定余振，即发射信号存在着衰减震荡，也就是我们平常所说的“拖尾”[7]，如图3所示。“拖尾”与发射器的发射功率和传播介质性质有关。一般情况下，“拖尾”的持续时间在1ms-2ms之间，且同样能被接收器接收，在这期间，由发射器余振所产生的信号和接收器所接收的回波信号便无法区分，即形成了干扰。这段时间内测距装置所测量不到的距离便是“盲区”。发射器发射功率越大，测量盲区就会越大；反之，发射器发射功率越小，测量盲区就越小。近距离测量时可考虑减小发射功率，但在远距离测量时，为更好地接收到回波，就必须适当的增大发射功率，同时，要考虑到盲区的影响。
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