本实用新型涉及一种超声测距装置。
背景技术：
利用超声传播的定向性较好的特性可以设计测距定位装置，其主要工作原理如图1。如图1超声探头方向保证发射线垂直抵达测距物表面，反射线也垂直原路返回，于是发射与接收的时间间隔即为所测距离双程的超声传播时间，利用公式
即可求得s。
在上面公式中v0为空气声速340米每秒，t由测距仪的计时器确定，于是所测距离
无论以上哪一类情形，超声测距还有一个独特的问题，就是声音速度随着介质温度变化而变化，如在空气中并非始终为340米每秒。因此超声高精度测距有所谓的温度补偿算法，即由公式v＝331.4+0.61t，s＝vt/2计算，其中v即为随气温t变化的声音速度，t为计时器测得的发收时间间隔，自然这样的系统必须携带环境温度测量模块，一般是温度测量电路。
技术实现要素：
为了克服已有超声测距技术的依赖于温度补偿、精度较低的不足,本实用新型提供了一种不依赖于温度补偿机制的高精度超声测距装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种不依赖于温度补偿机制的高精度超声测距装置，包括超声探头、控制柄和控制单元，所述控制柄是一根可以自动伸缩的至少两节段的控制柄，所述控制端的端部安装超声探头，所述超声探头的收发信号端与所述控制单元连接，所述控制单元包括用于控制柄按照不同节段伸缩的动作控制模块、用于依照不同节段的发送和接收时间间隔使用最小二乘法计算得到距离的距离计算模块。
进一步，所述控制柄具有内嵌电机，所述内嵌电机用于控制伸缩。
再进一步，所述控制柄设有3个节段，探头具有四个位置状态：原位、缩进一节、缩进二节和缩进三节。
更进一步，所述装置包括显示模块，所述控制单元与所述显示模块连接。
本实用新型的有益效果主要表现在：不依赖于温度补偿、精度较高。
附图说明
图1是超声测距原理图。
图2是收发探头分离的示意图。
图3是多探头的示意图。
图4是不依赖于温度补偿机制的超声测距原理图，1表示探头柄，2表示探头，3表示测距目标物表面，实线表示超声发射，虚线表示超声接收。
图5是不依赖于温度补偿机制的高精度超声测距装置的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图4和图5，一种不依赖于温度补偿机制的高精度超声测距装置，包括超声探头、控制柄和控制单元，所述控制柄是一根可以自动伸缩的至少两节段的控制柄，所述控制端的端部安装超声探头，所述超声探头的收发信号端与所述控制单元连接，所述控制单元包括用于控制柄按照不同节段伸缩的动作控制模块、用于依照不同节段的发送和接收时间间隔使用最小二乘法计算得到距离的距离计算模块。
进一步，所述控制柄具有内嵌电机，所述内嵌电机用于控制伸缩。
再进一步，所述控制柄设有3个节段，探头具有四个位置状态：原位、缩进一节、缩进二节和缩进三节。
更进一步，所述装置包括显示模块，所述控制单元与所述显示模块连接。控制柄与电源连接。
如图4，收发一体探头布置在一根可以自动伸缩的多节的控制柄上，多节的意思是可以按多个节段进行整段整段的伸出、缩进等操作，而且这个操作是受程序指令控制自动进行的。为方便或形式好看，这些段的长度可以设计为一致，如图3总的设置了3个节段，我们的方法至少保证有1个节段才能完成测距，即原位和缩进一节两种状态，节段上限一般设置到5节，太多使得计算量增大不利于嵌入式设备的低功耗要求。图3设置3个节段，则使得探头有四个位置状态，分别是原位、缩进一节、缩进二节、和缩进三节。
本实施例的不依赖于温度补偿机制的高精度超声测距装置实现的测距方法，超声探头布置在一根可以自动伸缩的至少两节段的控制柄上，控制柄上的不同节段的位置分别进行超声测距，测得各个位置的收发时间间隔，使用最小二乘法计算得到距离。
进一步，所述控制柄设有3个节段，探头具有四个位置状态：原位、缩进一节、缩进二节和缩进三节。当然，也可以是其他数量，例如2个节段、4个节段或5个节段等。
再进一步，设定每一个节段的长度相等，均为h，假设测距物体没有发生在超声传播线上的位移，但可以在传播线垂直方向有位移，并且测距物表面维持平面状态不变，假设在探头的各个位置测得的发收时间间隔为t1,t2,t3,t4，列出方程如下
其中s、v是未知的，t1,t2,t3,t4和h是已知的；
使用最小二乘法计算得到：
计算以上矩阵乘法算式，得到距离s。
优选的，所述最小二乘法的过程为：
将式(1)整理成矩阵形式如下：
由于t1,t2,t3,t4互不相等，矩阵
得到
最终得到式(2)。
因为之前假设每一个节段长度相等(从方法上讲实际长度不相等也可以进行本法实施)，不妨设为h，在计算中该h值自然是已知的，为了设备长度可控，该值可不妨设计为4厘米。其次，不妨假设测距物体没有发生在超声传播线上的位移，但可以在传播线垂直方向有位移，并且测距物表面维持平面状态不变。假设该装置在探头的各个位置测得的发收时间间隔为t1,t2,t3,t4，列出方程(1)，使用最小二乘法计算得到矩阵乘法算式(4)，计算(4)，可以得到距离s，顺便也可以测出声速v。
本实施例的不依赖于温度补偿机制的高精度超声测距装置是把一体收发探头安置在多节段的自动控制柄上。整个测距装置如图4所示，含有超声探头、控制柄(内含驱动电机)、控制单元、显示模块以及电源。
本实施例的不依赖于温度补偿机制的高精度超声测距装置的工作过程为：
步骤1.该装置上电后，探头在原位状态进行一次发送和接收，并计时；
步骤2.探头缩进一节后，进行一次发送和接收，并计时；
步骤3.重复步骤2直到每层节段都缩进；
步骤4.伸出一节，进行一次发送和接收，并计时；
步骤5.重复步骤4直到每层节段都伸出；
步骤6.回到步骤2。
以上只是探头循环往复的自动操作流程，关于距离计算的输出，过程如下：
1)如果是首次上电，那么要等到所有节段都缩进，也就是以上步骤3后进行第一次计算并输出距离，计算的方法就是最小二乘法；
2)如果是在第一次计算以后的运行过程中，以上每个步骤都与上一个步骤的探头位置不同，取当前位置探头取得的计时连同前面紧邻的三次探头计时，合并为最新的连续四次计时进行最小二乘法的计算，输出距离。
可见距离输出是在任意一个探头状态都能达到的，从这个角度看其实计算输出是没有延时的，并且输出频率也只是节段伸缩进行时有输出被停顿的短暂间隔，假设100毫秒完成一次一个节段的伸缩，那么每间隔“100毫秒+”进行一次输出，其中“+”的部分是实际测量进行的时长，跟测距物的远近有关。
本实施例只针对超声收发一体探头描述该方法，并且是单个探头，显然，这种方法很容易运用到多探头(探头阵列)、或收发分离的探头的系统。
1.一种不依赖于温度补偿机制的高精度超声测距装置，其特征在于，所述装置包括超声探头、控制柄和控制单元，所述控制柄是一根可以自动伸缩的至少两节段的控制柄，所述控制端的端部安装超声探头，所述超声探头的收发信号端与所述控制单元连接，所述控制单元包括用于控制柄按照不同节段伸缩的动作控制模块、用于依照不同节段的发送和接收时间间隔使用最小二乘法计算得到距离的距离计算模块。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制柄具有内嵌电机，所述内嵌电机用于控制伸缩。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述控制柄设有3个节段，探头具有四个位置状态：原位、缩进一节、缩进二节和缩进三节。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括显示模块，所述控制单元与所述显示模块连接。
技术总结