一、超聲波測距原理
超聲波測距技術是一種基於聲波傳播時間的距離測量方法，其核心原理是利用超聲波在空氣中的傳播特性來計算目標物體的距離。超聲波是指頻率高於人類聽覺範圍（通常大於20kHz）的聲波，其波長較短，方向性強，適合用於精確測距。
1. 超聲波發射與接收
超聲波測距系統通常由發射器和接收器組成。發射器會產生高頻聲波脈衝，這些聲波在空氣中傳播並遇到目標物體後反射回來，由接收器捕捉。發射與接收的時間差即為聲波往返的時間。例如，香港某大學的研究團隊開發的超聲波測距模組，其發射頻率可達40kHz，能夠在10米範圍內實現毫米級精度的測距。
2. 時間差測量：計算距離
距離的計算公式為：距離 = (聲速 × 時間差) / 2。由於聲波需要往返一次，因此時間差需除以2。聲速在常溫（20°C）下約為343米/秒，但會隨環境條件變化。例如，香港夏季氣溫較高，聲速可能增加至350米/秒，這對測距精度有顯著影響。
3. 溫度補償：聲速與溫度的關係
聲速與溫度的關係可用以下公式表示：聲速 = 331.4 + (0.6 × 溫度°C)。因此，在實際應用中，需通過溫度傳感器實時監測環境溫度，並對聲速進行補償。香港的潮濕氣候也可能影響聲速，但濕度對聲速的影響較小，通常可忽略不計。
二、超聲波測距的應用領域
超聲波測距技術因其非接觸、低成本和高可靠性，被廣泛應用於多個領域。以下是一些典型的應用場景：
1. 自動駕駛：障礙物檢測
在自動駕駛系統中，超聲波傳感器常用於近距離障礙物檢測，例如泊車輔助系統。香港的某自動駕駛測試項目中，超聲波傳感器與雷達和攝像頭融合使用，可在5米範圍內精確識別障礙物，精度達到±1厘米。
2. 無人機：高度控制
無人機在低空飛行時，超聲波傳感器可實時測量離地高度，確保飛行安全。香港的無人機配送服務中，超聲波高度傳感器能在10米範圍內提供穩定數據，誤差小於2%。
3. 機器人：導航與避障
服務型機器人常使用超聲波傳感器進行環境感知。例如，香港某醫院的消毒機器人配備了多個超聲波傳感器，可在複雜環境中避開障礙物，並精確定位消毒區域。
4. 液位測量：水箱、油箱
超聲波液位計廣泛用於工業和民用領域。香港的某水務設施中，超聲波液位計用於監測水箱水位，測量範圍可達15米，精度為±0.5%。
5. 倒車雷達：汽車輔助駕駛
倒車雷達是超聲波測距最常見的應用之一。香港市場上超過90%的新車配備了超聲波倒車雷達，其有效檢測範圍通常為0.3至2.5米。
三、影響超聲波測距精度的因素
超聲波測距的精度受多種因素影響，了解這些因素有助於優化系統設計。
1. 聲速變化：溫度、濕度、氣壓
如前所述，聲速隨溫度變化而變化。香港的氣候變化較大，夏季與冬季的溫差可達20°C，這會導致聲速變化約3%，從而影響測距精度。濕度和氣壓的影響較小，但在高精度應用中仍需考慮。
2. 反射面材質與角度
超聲波的反射效率與目標物體的材質和表面角度密切相關。例如，柔軟或多孔的材質（如布料）會吸收聲波，導致信號衰減；而光滑的金屬表面則能產生強反射。此外，若反射面與聲波入射角度過大，可能導致反射信號無法被接收器捕捉。
3. 多徑效應：多次反射干擾
在複雜環境中，聲波可能經過多次反射才到達接收器，這會導致測距誤差。例如，在狹窄的走廊中，超聲波可能經牆壁反射後才到達目標物體，從而產生虛假距離數據。
4. 環境噪音
高頻噪音可能干擾超聲波信號的接收。香港的都市環境中，機械設備或交通噪音可能對超聲波測距造成影響，需通過濾波算法消除干擾。
四、提高超聲波測距精度的方法
為克服上述影響因素，可採用以下方法提高測距精度：
1. 溫度補償算法
通過實時監測環境溫度並動態調整聲速值，可顯著提高測距精度。例如，香港某工業級超聲波測距模組內置了溫度傳感器，可實現自動補償，將溫度引起的誤差降低至0.1%以下。
2. 濾波算法：去除噪音
數字濾波技術可有效去除環境噪音。常用的方法包括卡爾曼濾波和移動平均濾波。例如，香港某研究團隊開發的自適應濾波算法，能將噪音干擾降低90%以上。
3. 多傳感器融合
將超聲波傳感器與其他測距技術（如紅外或雷射）結合使用，可互補優缺點。例如，香港的某自動導引車（AGV）系統中，超聲波與雷射雷達融合使用，綜合精度達到±0.5厘米。
五、超聲波測距與其他測距技術的比較
超聲波測距技術與其他測距方法各有優劣，需根據應用場景選擇合適的技術。
1. 與紅外測距、雷射測距的優劣比較
- 超聲波測距：成本低、抗干擾能力強，但精度較低（通常±1厘米），且測量距離較短（一般小於10米）。
- 紅外測距：精度較高（±0.5厘米），但受環境光影響大，且不適用於透明物體。
- 雷射測距：精度最高（±0.1厘米），測量距離可達數百米，但成本高且對反射面要求嚴格。
2. 應用場景的選擇
在醫療領域，如超聲波掃描或超聲波盆腔檢查中，超聲波的無害性和高分辨率使其成為首選。而在工業自動化中，雷射測距更適合高精度需求。香港的某醫療機構報告顯示，超聲波檢查在婦科診斷中的準確率超過95%，這得益於其對軟組織的高分辨率成像能力。
By:Angle