关于现代距离测量技术.docx
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关于现代距离测量技术
关于现代距离测量技术
摘要：
现代科学技术的发展，进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距等新型测量技术。
本
文将简单介绍当前距离测量的意义、方法、原理及现状，以及各种测量方法的测量原理及方法的简单对比，方便人们可以在生产生活中结合实际灵活运用各种测量技术。
关键词：
距离测量；传感器；原理及运用
Aboutthemoderndistancemeasurementtechnology
Abstract:
Thedevelopmentofmodernscieneeandtechnologyiasgoneintomanynewareashasemerged,whiletheranginglaserranging,microwaveradarranging,ultrasonicrangingandinfraredrangingnewmeasurementtechniques.Thisarticlewillbrieflydescribesthesignificaneeofthedistaneemeasurement,asimplecomparisonofthemethods,principlesandthestatusquo,aswellasavarietyofmeasurementmethods,measurementprincipleandmethodtofacilitatethepeopleintheproductionandlivingcombinedwithpracticalflexibilityintheuseofvariousmeasurementtechniques.
Keywords：
Distaneemeasurement;Sensor;PrincipleandUse
一、距离测量的意义4
二、目前测量距离的方法及原理4
2.1激光测距方法及原理4
a）激光测距的方法4
b）激光测距的原理5
22微波雷达测距方法及原理5
a）微波雷达测距的方法5
b）微波雷达测距的原理5
2.3超声波测距方法及原理6
a）超声波测距的方法6
b）超声波测距的原理6
2.3红外线测距方法及原理6
a）红外线测距的方法6
b）红外线测距的原理7
三、目前距离测量的现状7
3.1激光测距的现状7
3.2微波雷达测距的现状7
3.3超声波测距的现状8
3.4红外线测距的现状8
四、测量原理和方法对比8
4.1激光传感器优点：
8
4.2微波传感器优点：
9
4.3超声波传感器优点：
9
4.4红外传感器与其它传感器的对比：
9
四、结论10
［参考文献］10
一、距离测量的意义
现代科学技术的发展，进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距等新型测量技术。
本文将简单介绍当前距离测量的意义、方法、原理及现状，以及各种测量方法的测量原理及方法的简单对比，方便人们可以在生产生活中结合实际灵活运用各种测量技术。
、目前测量距离的方法及原理
现代科学技术的发展迅猛，而在距离测量方面也是如此：
先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距等新型测量技术。
现在将简单介绍当前距离测量的方法及原理：
2.1激光测距方法及原理a）激光测距的方法
利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目
I=-Cf
标距离。
即：
二
式中：
L――测站点A、B两点间距离；
c——光在大气中传播的速度；
t――光往返A、B一次所需的时间。
由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同,
激光测距仪通常可分为相位式和脉冲式两种测量形式。
b）激光测距的原理
它的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以
光速即得到往返距离。
由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的，因此激光测距
仪日益受到重视。
在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标
方位、运运速度和加速度等，已成功地用于人造卫星的测距和跟踪，例如采用红宝石激光器
的激光雷达，测距范围为500〜2000公里，误差仅几米。
目前常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。
2.2微波雷达测距方法及原理
a）微波雷达测距的方法
微波信号源采用全固态器件，合金捛腔体喇叭形天线收发，混频管接收经反射后的微波信号与发射波信号混频。
被测物体移动时，由于直达波和反射波混合的结果在接收检波器上混频出差拍信号，该差拍信号的频率和移动物体速度成线性关系。
速度越快，差拍频率越高，
速度越慢，差拍信号频率越低。
被测物体与微波腔体振荡器不移动时，输出的频率为零。
探
头对目标距离近信号输出幅度大，探头对目标距离远信号输出幅度小•利用信号幅度特性可
得到距离信息。
（对相对运动的物体而言）
远程微波远程测速/测距传感头（测程3-1000m）微波远程测速传感头用于车，船，飞鸟，等目标的远距测速>1000m（试验时大于2km）同时提供微波雷达测距传感器（测
程水面大于300m）本振10GCWFM调制频偏80mhz收发采用双头，发送电压DC8v
电流80mA/20mw（测速传感器）测距传感器（DC+12.5V电流100mA）接收+DC6-12.
5V电流70mA
微波雷达测速传感器（测程0.1-300m）微波腔体振荡器频率为10.525G可用于非接触测量车辆供微波腔体振荡器频率为10.525G可用于非接触测量物体车辆的移动速度角
度70度，腔体内包含混频管震荡管及收发谐振天线。
b）微波雷达测距的原理
雷达测距传感器是依据调频连续波原理（FMCWFrequencyModulatedCo
ntinuousWave）为基础的雷达物位计，它区别于脉冲式雷达，并因其探测近距离优越的
性能而广泛应用于汽车防撞及工业物位领域。
物位测量精度不受介质介电常数、浓度（密度）、
压力和温度的影响物位测量精度不受雾，泡沫、粉尘、蒸汽以及容器形状影响
雷达使用线性调频高频信号，发射频率随一定时间间隔的线性（频率），频率范围为1
0.5G,波长约为3cm。
由于发射频率是随着信号调制的时间变化的，接收混频后输出与
反射物体距离成比例的低频回波信号。
频率是由当前发射频率与接收的反射频率的混频获取
的。
跟据不同的分辩率调制不同的FM信号
1.雷达信号经天线发射，遇到被测界面反射，经过时间t后，被天线及接收器接收。
2.当前发射波与被测界面反射波的差值被Hz为单位进行精确计算，频率的差值是与
天线到被测界面的距离成正比的，距离越大差值越大，反之亦然。
3.数字信号处理过程中，时间信号通过快速FFT变换”转换成频谱，形成距离计算的
基础，进而通过计算出物位距离/高度。
2.3超声波测距方法及原理
a）超声波测距的方法
超声波是一种频率在20KHZ以上的机械波，在空气中的传播速度约为340m/s（20°
C时）。
超声波可由超声波传感器产生，常用的超声波传感器两大类：
一类是采用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波，目前较为常用的是压电式超声波传感器。
可运
用电子学方面的知识设计电气电路及软件代码设计实现。
b）超声波测距的原理
超声波是指频率高于20KHZ的机械波。
为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波
探头。
超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双
重作用。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的
时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。
首先测出超声波从发射
到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距
离。
测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单
片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
2.3红外线测距方法及原理a）红外线测距的方法
反射能量法：
仪器发射一束光（通常是近红外光）照射到被测物体表面，仪器同时接收被测物体的反射光能量，根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。
因其结构简单、体积小、成本低,可以广泛应用于大批量生产的光机电综合产品。
b）红外线测距的原理
红外线测距的基本原理是红外发射电路的红外发光二极管发出红外光，经障碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。
根据
发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强随是随反射物体的距离变化而变
化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。
因为红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、
反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。
红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。
自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都
会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。
三、目前距离测量的现状
3.1激光测距的现状
这是一个科技飞速发展的时代，人们的生活也越来越依赖科技成果。
就拿激光测距仪来
说，以前人们测量距离都用皮尺、掉线、丈量等这些方法，现在只需在这个小小的激光测距
仪上按个按钮就能完成了。
而且激光测距仪要比那些传统的测量方式精确率高、体积小。
重
量轻，携带起来也很方便。
由于用途广泛激光测距仪的发展势不可挡，现在市场上的激光测距仪有：
脉冲式激光测
距仪和相位激光测距仪。
虽然都是用来测量距离的但是他们却各有长处，其中脉冲式激光测
距仪的测量范围广精度差，而相位式的激光测距仪测量范围小但精度高可达到好毫米级。
这
其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行
轨道跟踪以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等。
脉冲激光测距法是利用激光脉冲持续时间非常短，能量相对集中，瞬时功率很大的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也
是可以测距的。
因而脉冲激光测距法应用较多。
现在简单阐述一下脉冲激光测距仪的工作原理：
测距仪发射出的激光经被测量物体的反
射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间，光速和往返时间的乘积的一半，就
是测距仪和被测量物体之间的距离。
脉冲式激光测距仪的测量精度差，一般精度只能达到m的级别，所以一些精度要求高
的场合或者项目需要使用相位式的激光测距仪。
但对于远距离的的测量由于测量的范围很广，测量误差一两米已经算是精度很高了。
3.2微波雷达测距的现状
微波雷达测速传感器（测程0.1-300m）微波腔体振荡器频率为10.525G可用于非接触测量车辆车速、车长等、及汽车雷达避撞、人体移动、空中飞鸟智能化控制、医疗、生命
特怔探测自动门控制器长检测距离灯光控制开关、粮食水分仪传感器、混凝土湿度测量传
感器、治安探测器（用于探测生物特性）物体车辆的移动速度角度70度，腔体内包含混频
管震荡管及收发谐振天线。
3.3超声波测距的现状
超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也
可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
要求测量范围在0.10-5.00m，测量精度1
cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。
由于超声波指向性强，
能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物
位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易
于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上
也得到了广泛的应用
3.4红外线测距的现状
红外传感器由发送器和接收器两部分组成，在发送器和接收器之间有一定的有限视场。
传感器只能检测到那些位于发射器视场和接收器视场的交叉区域内的障碍物，因此，单个的
红外接近觉传感器不可避免地存在多个盲区。
大部分红外接收器在检测区域内有障碍物时输出低电压信号，反之输出高压信号。
某些
类型的物体有可能误导红外接收器，其中包括表面发亮的物体，光线吸收能力强的物体以及
那些交叉部分太小以至于不能将足够的红外线从发送器反射至接收器的物体。
如果采用多个红外发送器和接收器就可以减少盲区的数量。
由于发送器和接收器的价格
都非常低，因此采用多套红外传感器是完全可行的。
然而，无论实现过程如何完美，系统性
能总会受到环境的影响。
表面暗淡，光亮或者体积较小的物体都会经常使接收器产生漏报错误；如果阳光或者其他较强的光线照射在接收器上，有可能会使内部器件处于饱和状态，从
而也会导致传感器发生漏报情况。
通常情况下，红外传感器很少产生误报错误。
在系统正常情况下，所出现的误报错误通常来源于其他一些意想不到的红外噪声信号。
例如：
日光灯。
原则上来讲，接收器无法判断
其输出信息是否可靠；然而，如果接收器输出的障碍存在信号持续时间过短，完全可以认为
这是噪声假信号造成的。
四、测量原理和方法对比
4.1激光传感器优点：
激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。
它由激光器、激光检测器和测量电路组
成。
激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度
高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
激光具有4个重要特性:
a）高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘
米；
b）高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上；
c）高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。
d）高相干性，两束光交迭时，产生明暗相间懂得条纹（单色光）或彩色条纹（自然光）的现象称为光的干涉。
只有频率和振动方向相同，周相相等或周相差恒定的两束光才具有相干性。
应用——利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。
激
光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。
4.2微波传感器优点:
采用微波控制的优点是
a）成本低开发商易采用。
b）几乎不受温度影响控制距离稳定。
c）内含稳压电路适应新楼房电压偏差大的实际情况。
d）当住户防盗门打开时灯即亮红外技术是门打开灯不亮人移动时灯才亮更显人性化。
微波
控制器批量生产的难度在于由于频率高对线路板和元件的要求很高调试时费时费力必
须有专业设备需要反复调整生产效率低非专业厂家无法完成。
4.3超声波传感器优点：
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。
利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。
4.4红外传感器与其它传感器的对比：
其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。
由于受恶劣
的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外
已有人做过研究，由于采用特殊专用元件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光
波，具有光波的基本物理传输特性一反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。
红外线测距传感器有它的几个特点，远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；有同步输入端，可多个传
感器同步测量；测量范围广，响应时间短；外形设计紧凑，易于安装，便于操作；所以它
的应用价值比较高。
另外红外测距的应用越来越普遍。
在很多领域都可以用到红外测距仪。
红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领
域广、行业需求众多，市场需求空间大。
当前红外测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量
精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。
四、结论
在前面的介绍中，我们已经看到并且明白各种传感器各有各自的优缺点，我们在实际的
生产生活中需要灵活运用各类传感器，以求达到更好的效果！
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