【技术大神】如何应用高精度温湿度传感器提高超声波测距的准确性

时间： 2017-02-20 来源：技术大神活动文章

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超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由超声波压电陶瓷晶片在电压的激励下发生振动而产生的。其具有频率高、绕射现象小、穿透性强、高指向性、低衰减性等特点，而且由于超声波能量消耗缓慢，在介质中传播的距离远，因而经常被用于测量物体间的距离。目前超声测距技术在工业、车辆导航、水声工程、无人机等领域都具有广泛的应用价值。

超声波测距的原理是利用回声时差测距，主要是超声波发射器向某一方向发射声波，在发射的同时开始计时，当检测到声波反射时停止计时，其中时间的差值就是声音传播的时间，同时依据声音传播的速度来测量物体间的距离。在空气中测量物体的距离时因为温度对声速有较大的影响所以在精度要求不高的超声波测距中我们主要使用的是普通的NTC热敏电阻来进行温度补偿。补偿的方法是依据空气中声速与温度的公式c=(331.45+0.61t/℃)来进行校准。然而该补偿方法精度低、灵敏差，在测量的精度要求不高的情况下可以使用此种方法。当对测量的精度有较高的要求时就需要我们既要考虑热敏电阻的精确度和灵敏度，同时还要考量空气中湿度变化较大时对超声波传播速度的影响了。综合以上考虑我们使用SILICON LABS的Si7020温湿度传感器对超声波在不同温度和湿度的环境下的传播速度进行补偿以此来提高超声波测距的准确性。

Si7020是Silicon Labs公司的一款高精度、高灵敏度的集成温度和相对湿度检测的传感器芯片。其具有精度高、稳定性好，漂移性低等特性，同时待机模式的电流下仅有60nA，在工作状态下的电流仅有150uA，可见功耗极低。该传感器3*3mmDFN封装十分小巧，通过IIC与单片机相连十分方便，完全满足设计的需求。

图1：湿度的精确度（30℃）

图2：温度的精确度

由图1和图2可以看出Si7020温湿度传感器的检测精度非常高。该温湿度芯片在进行0-80%湿度条件下有±3%的精度，在-40到125℃的温度条件下有±0.4℃的精度。需要注意的是Si7020外面有一层聚合物传感器膜主要是为了防止灰尘和液体进入，从而保持传感器内部的干燥洁净，且在回流焊后不应随意移除。同时当保护膜上有水滴时会影响湿度的测量值应主动避免此种现象的发生。

超声波测距的关键是得到超声波在空气中的传播速度c，结合测得的超声波传输时间T来测量物体的距离，距离s=c*T\2,其中T可以由单片机来计算得知，其中c为根据Si7020所采集到的温度和湿度补偿后所得到的实际声波速度。

超声波测距的系统基本组成如下：

图3：超声波测距系统框图

图4：超声波速度与温湿度的关系

通过图4的数据我们看到在不同的温度和湿度的条件下，超声波的传播速度是有较大差距的，声速基本上与湿度呈线性关系，并且随着湿度的增加在一定范围内增加。所以在进行超声波测速时我们要针对不同的温度和湿度的环境下进行多项测试，以此整理出超声波的传播速度和温度与湿度的关系公式并配合出厂标定以此来达到高精度的距离测量。

作者：一叶知秋

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用户53549649 Lv3. 高级工程师 2018-12-12

好
Ricky2018 Lv3. 高级工程师 2018-02-01

有没有低成本的？
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