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摘 要：超声波技术是基于物理、电子机械及材料科学的前沿技术，特别是近几年来科学技术的飞速发展，超声波技术已经应用于飞机、汽车等行业。在高中物理实验测距中使用超声波，一方面可以帮助我们掌握物理知识，另一方面也能对超声波的特性加以理解，方便了数据的记录和采集，避免了人为操作中产生的误差和错误，增加了实验数据的准确性。
关键词：超声波；测距；误差
0 引言
人类耳朵能接收到声波的频率为20～2000Hz，超过人耳接受范围的声波就是超声波，在实际应用中，超声波的频率一般在16000Hz左右，超声波因具有频率高、沿直线传播、传播衰减少、传播距离远、反射性等特征，所以可以用其来测距。
1 超声波测距的实验方案
在高中物理超声波测距的实验中，教材提供了两种测距方案：一是把超声波发生器和超声波接收器分别置于测距的起点和终点，并记录下超声波从起点传播到终点所用的时间，并用时间乘以声速即得到起点和终点间的距离；二是利用超声波的反射来测距，把超声波发生器和超声波接收器都置于測距的起点，然后记录下超声波从起点传播并经过终点反射回接收器所用的时间，起点和终点间的距离即为时间乘以声速的一半。第一个方案测量准确性比较高，但是实验操作起来比较复杂，而且实用性不高，第二个方案操作简单，实验完成速度快，但由于是测量了两次距离，所以误差比较大。在实际的操作中，笔者更倾向于第二种“非接触性”方案，误差的减少可以通过多次测量，通过筛选数据取平均值来实现。
2 “非接触性”超声波测距模块的分析
在“非接触性”超声波测距模块中，应用得比较多的有US系列和SR系列，本次研究主要分析了HC-SR、US-016和US-100这3类“非接触性”超声波测距模块，现将实验分析汇报如下。
2.1 HC-SR超声波测距模块
HC-SR系列超声波测距模块，以HC-SR04为例，其工作电压为3.3～5V，静态电流<2mA，感应角度<15°，探测距离为2～400cm，探测精度为1%，输出方式为脉冲时长。HC-SR04的测量时间周期为超声波从起点到终点时间的4倍以上，所以用于实验测量的周期不能低于60ms，避免发射的信号影响到回收的信号，实验测距工作效率不高。
2.2 US-016超声波测距模块
US-016超声波测距模块的工作电压为DC5V，静态电流为3.8mA，感应角度<15°，探测距离为2～300cm，探测精度为0.3cm+1%，输出方式为模拟电平。US-016超声波测距模块工作稳定，而且可以根据不同的距离调设量程（最大测量距离分别为100cm和300cm）。模块上电后，系统首先判断Range引脚的输入电平，根据输入电平状态来设置不同的量程。当Range引脚为高电平时，量程为3m，当Range管脚为低电平时，量程为1m。但是其在工作中把测量距离转化为电压，通过数据采集把测量距离修饰取值输出，在面对测量距离突变的情况下，很容易出现数据失真的情况。
2.3 US-100超声波测距模块
US-100超声波测距模块的工作电压为2.4-5.5V，静态电流为2mA，感应角度<15°，探测距离为2-450cm，探测精度为0.3cm+1%，输出方式为电平或UART。US-100超声波测距模块工作稳定，测量结果误差较小，与HC-SR04最大的区别在于US-100测量数据通过9600波特率输出，无论测量距离多少，其输出耗时都是固定的1.6ms，而HC-SR04输出耗时会因为测量距离的增加都增加。而且US-100超声波测距模块自带温度传感器，可以对测量结果进行矫正。因为超声波在不同温度下的传播速度是不同的，通过温度传感器对测量结果进行矫正，可以极大的缩小测量误差。
3 超声波测距中的误差分析及对策
“非接触性”超声波测距模块是通过S=vt/2来计算起点到终点间的距离（S为距离，v为声速，t为时间），所以影响测量结果的变量就为v、t。下文主要就是分析如何减少测量中v、t的误差。
3.1 温度因素
声波是扰动的机械波，在空气中传播的途中不断转变为热能，从而出现逐渐衰减的现象，声波频率越高，衰减得越厉害，传播距离就越短。声波传播速度与温度的关系详见表1。所以，为了减少测量误差，提高测量准确度，计算时距离时必须根据温度的情况对声速进行修正。
3.2 超声发射和接收的时间误差
超声波测距模块都设定有测量的距离，在设定距离范围内，超声发射器和接收器才能达到最高灵敏度，而且如果测量目标体积太大或者表面不平整，也会产生测量时间的误差。“非接触性”超声波测距模块的测量距离详见表2。所以，在测量过程中要考虑到设备的量程和目标的反射情况，最好是选择体积和距离适中的物体来进行测量。
参考文献
[1]吴建惠.超声波测距在高中物理实验教学中的应用[J].中学物理：高中版，2016，34（10）：54-56.
[2]苏炜，龚壁建，潘笑.超声波测距误差分析[J].传感器与微系统，2004，23（6）：8-11.
（作者单位：内蒙古包头市第九中学高三7班）
关键词：超声波；测距；误差
0 引言
人类耳朵能接收到声波的频率为20～2000Hz，超过人耳接受范围的声波就是超声波，在实际应用中，超声波的频率一般在16000Hz左右，超声波因具有频率高、沿直线传播、传播衰减少、传播距离远、反射性等特征，所以可以用其来测距。
1 超声波测距的实验方案
在高中物理超声波测距的实验中，教材提供了两种测距方案：一是把超声波发生器和超声波接收器分别置于测距的起点和终点，并记录下超声波从起点传播到终点所用的时间，并用时间乘以声速即得到起点和终点间的距离；二是利用超声波的反射来测距，把超声波发生器和超声波接收器都置于測距的起点，然后记录下超声波从起点传播并经过终点反射回接收器所用的时间，起点和终点间的距离即为时间乘以声速的一半。第一个方案测量准确性比较高，但是实验操作起来比较复杂，而且实用性不高，第二个方案操作简单，实验完成速度快，但由于是测量了两次距离，所以误差比较大。在实际的操作中，笔者更倾向于第二种“非接触性”方案，误差的减少可以通过多次测量，通过筛选数据取平均值来实现。
2 “非接触性”超声波测距模块的分析
在“非接触性”超声波测距模块中，应用得比较多的有US系列和SR系列，本次研究主要分析了HC-SR、US-016和US-100这3类“非接触性”超声波测距模块，现将实验分析汇报如下。
2.1 HC-SR超声波测距模块
HC-SR系列超声波测距模块，以HC-SR04为例，其工作电压为3.3～5V，静态电流<2mA，感应角度<15°，探测距离为2～400cm，探测精度为1%，输出方式为脉冲时长。HC-SR04的测量时间周期为超声波从起点到终点时间的4倍以上，所以用于实验测量的周期不能低于60ms，避免发射的信号影响到回收的信号，实验测距工作效率不高。
2.2 US-016超声波测距模块
US-016超声波测距模块的工作电压为DC5V，静态电流为3.8mA，感应角度<15°，探测距离为2～300cm，探测精度为0.3cm+1%，输出方式为模拟电平。US-016超声波测距模块工作稳定，而且可以根据不同的距离调设量程（最大测量距离分别为100cm和300cm）。模块上电后，系统首先判断Range引脚的输入电平，根据输入电平状态来设置不同的量程。当Range引脚为高电平时，量程为3m，当Range管脚为低电平时，量程为1m。但是其在工作中把测量距离转化为电压，通过数据采集把测量距离修饰取值输出，在面对测量距离突变的情况下，很容易出现数据失真的情况。
2.3 US-100超声波测距模块
US-100超声波测距模块的工作电压为2.4-5.5V，静态电流为2mA，感应角度<15°，探测距离为2-450cm，探测精度为0.3cm+1%，输出方式为电平或UART。US-100超声波测距模块工作稳定，测量结果误差较小，与HC-SR04最大的区别在于US-100测量数据通过9600波特率输出，无论测量距离多少，其输出耗时都是固定的1.6ms，而HC-SR04输出耗时会因为测量距离的增加都增加。而且US-100超声波测距模块自带温度传感器，可以对测量结果进行矫正。因为超声波在不同温度下的传播速度是不同的，通过温度传感器对测量结果进行矫正，可以极大的缩小测量误差。
3 超声波测距中的误差分析及对策
“非接触性”超声波测距模块是通过S=vt/2来计算起点到终点间的距离（S为距离，v为声速，t为时间），所以影响测量结果的变量就为v、t。下文主要就是分析如何减少测量中v、t的误差。
3.1 温度因素
声波是扰动的机械波，在空气中传播的途中不断转变为热能，从而出现逐渐衰减的现象，声波频率越高，衰减得越厉害，传播距离就越短。声波传播速度与温度的关系详见表1。所以，为了减少测量误差，提高测量准确度，计算时距离时必须根据温度的情况对声速进行修正。
3.2 超声发射和接收的时间误差
超声波测距模块都设定有测量的距离，在设定距离范围内，超声发射器和接收器才能达到最高灵敏度，而且如果测量目标体积太大或者表面不平整，也会产生测量时间的误差。“非接触性”超声波测距模块的测量距离详见表2。所以，在测量过程中要考虑到设备的量程和目标的反射情况，最好是选择体积和距离适中的物体来进行测量。
参考文献
[1]吴建惠.超声波测距在高中物理实验教学中的应用[J].中学物理：高中版，2016，34（10）：54-56.
[2]苏炜，龚壁建，潘笑.超声波测距误差分析[J].传感器与微系统，2004，23（6）：8-11.
（作者单位：内蒙古包头市第九中学高三7班）