【正文】 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 5 第 2 章 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 超聲波簡(jiǎn)介 在科學(xué)史上，人們很久以前對(duì)聲音信號(hào)就有了認(rèn)識(shí)，聲學(xué)是最早發(fā)展的學(xué)科之一。早在 19 世紀(jì)，聲學(xué)已成為具有現(xiàn)代意義的科學(xué)并發(fā)展到相當(dāng)高的水平。然而由于超聲波是人耳聽不到的信號(hào)，直到 18 世紀(jì)，人們?cè)谘芯框?、海豚等?dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界中存在超聲。人們可聽到的聲音頻率為 20Hz～ 20KHz，即為可聽聲 波，超出此頻率范圍的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波，頻率高于人類聽覺上限頻率 (約 20KHz)的聲波，稱為超聲波。聲波的速度越高，越與光學(xué)的某些特性如發(fā)射定律、折射定律相似。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同。一般有以下幾種 : ：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。 ：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播。 ：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速地衰減，稱為表面波。表面波只在固體地表面?zhèn)鞑ァ? 總體上講超聲波發(fā)生器可以分為兩大類 :一類使用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動(dòng)型等 。機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各有不同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波必須要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離， 同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波功率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和**************** 論文 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 6 大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成 4OKHz 左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。 超聲波測(cè)距的一般原理和方法 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立刻停止計(jì)時(shí)。 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF（ time of flight） [9]。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間 t，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即 2ctD? 公式 () 其中 D 為傳感器與被測(cè)障礙物之間的距離， c 為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。在空氣中聲波傳輸速率為 smTcc /273/10 ?? ，其泰勒級(jí)數(shù)展開式（僅保留到一次項(xiàng)）為： c=c0 ＋ , 其中 T 為絕對(duì)溫度，smc / ? 。由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、也可以通過標(biāo)定距離來確定計(jì)算距離的波速，較精確地得出該環(huán)境下的超聲波經(jīng)過的路程，提高測(cè)量精度。在測(cè)距精度不是很高的情況下，一般認(rèn)為 c為常數(shù) 340m/s。 超聲波探測(cè)方法主要有脈沖反射法（把超聲脈沖發(fā)射到物體中再接收來自物體中的反射波的方法）、穿透法（利用穿過被檢物體的超聲波的穿透率和有無聲影進(jìn)行探傷檢驗(yàn)的方法）、聲阻法（利用被測(cè)物件的振動(dòng)特性，即被測(cè)物對(duì)探頭所呈現(xiàn)的機(jī)械阻抗的變化來進(jìn)行檢測(cè)）等；本次超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是脈沖反射法。 **************** 論文 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 7 超聲波傳感器的主要參數(shù)及選擇 主要參數(shù) 中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時(shí)，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測(cè)距越短，而分辨力越高。 常見超聲波傳感器的中心頻率有 30KHz、4OKHz、 75KHz、 200KHz、 400KHz 等。 靈敏度的單位是分貝 (dB)，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。 指向角是超聲波傳感器方向性的一個(gè)參數(shù)，指向角越小，方向性越強(qiáng)。一般為幾度至幾十度。 工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度達(dá)到 +290℃時(shí)靈敏度可降低 6%。一旦達(dá)到居里溫度點(diǎn)（ 573℃），就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不 高，在 20℃至 +70℃溫度范圍內(nèi)可以長期工作。治療用的超聲波傳感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施。 超聲傳感器及其驅(qū)動(dòng)模塊的選擇 超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱超聲換能器或超聲波探頭。這種裝置能發(fā)射超聲波和接受超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用 Polaroid 600 系列傳感器、 Polaroid 6500 系列超聲波測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊。 Polaroid 600 系列傳感器 [2] **************** 論文 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 8 該超聲波測(cè)距傳感器采用了 6500系列的測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊和能夠發(fā)出高頻超聲波的陶瓷振蕩器 (ceramic oscillator)，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)模塊以觸發(fā)信號(hào)，此振蕩器便以狹小的圓錐形式發(fā)出 40Khz 的超聲波，當(dāng)遇到障礙物時(shí)超聲波會(huì)有回波，那么該振蕩器又變成了一個(gè)超聲波接收器，當(dāng)接收回波時(shí)，Polaroid 6500 內(nèi)有一個(gè)調(diào)諧電路，使得只有頻率接近 的信號(hào)才能被接收，并把接受到的信號(hào)放大變成電信號(hào)，而其它頻率的信號(hào)則被過濾。如果記下從發(fā)出觸發(fā)信號(hào)到接到回波信號(hào)的時(shí)間 t，根據(jù)公式 s=ct/2 即可得距離。 Polaroid 600 超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為 30 度的波束角，如圖 所示： 圖 波束角 超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為 ?，則在 ?時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號(hào)就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號(hào)，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲傳感器具有測(cè)量一定的測(cè)量范圍。此超聲波最近可以測(cè)量 20cm。 Polaroid 6500 系列超聲波傳感器測(cè)距 驅(qū)動(dòng)模塊 [3] Polaroid 6500 系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的特點(diǎn)： 030603060**************** 論文 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 9 ⊙精確的聲納測(cè)量范圍，從 毫米到 米 ⊙可選擇的工作方式 ⊙精確的時(shí)鐘輸出 ⊙與 TTL 電平的兼容 ⊙多功能的測(cè)量能力 ⊙帶插槽的數(shù)字芯片 ⊙方便的終端連接 ⊙有可調(diào)的電位計(jì) Polaroid 6500 系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的硬件電路如圖 所示： 圖 Polaroid 6500 系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的硬件電路 TL851 是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字 12 步測(cè)距控制集成電路 [4]。內(nèi)部有一個(gè)420KHz 的陶瓷晶振， Polaroid 6500 系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊開始工作時(shí)，在發(fā)送的前 16 個(gè)周期，陶瓷晶振被 分頻，形成 的超聲波信號(hào)，后通過三極管 Q1 和變壓器 T1 輸送至超聲波傳感器。發(fā)送之后陶瓷晶振被 分頻。 **************** 論文 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 10 TL852 是專門為接收超聲波而設(shè)計(jì)的芯片 [5]。因?yàn)榉祷氐某暡ㄐ盘?hào)比較微弱，需要進(jìn)行放大才能被單片機(jī)接收， TL852 主要提供了放大電路，當(dāng)TL852 接收到 4 個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，就通過 REC 給 TL851 發(fā)送高電平表明 超聲波已經(jīng)接收。 Polaroid 6500 系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的描述： 該系列是一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的聲納驅(qū)動(dòng)模塊，它可以驅(qū)動(dòng)所有的Polaroid 生產(chǎn)的超聲波傳感器而不用其他的額外的器件。這個(gè)模塊有一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，它的測(cè)量范圍是 ～ m，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)它的精確度是 +/1%，該模塊有外部消隱輸入可以使其工作在多回聲模式。在多回聲模式下，它能區(qū)分開距離僅有 3 英寸的兩個(gè)目標(biāo)。這種把回波以數(shù)字形式輸出和可變帶寬的放大器能很大地減小噪聲。給該模塊的供電電壓的范圍是 伏之間，它工作的環(huán)境溫度是 0～ 40 攝氏度 。 Polaroid 6500 系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的推薦工作條件： 表 Polaroid 6500 的推薦工作條件 最小 最大 單位 電源電壓 V 高電平輸入 V 低電平輸入 V ECHO 和 OSC 輸出 V 上電到加 INIT的延遲時(shí)間 5 ms 每次測(cè)量的工作周期 80 ms 環(huán)境溫度 0 40 ℃ Polaroid 6500 系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的各控制信號(hào) INIT 引腳：該模塊上電之后，給該引腳送高電平則超聲波傳感器開始發(fā)出超聲波。 **************** 論文 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 11 ECHO 引腳：回波輸出信號(hào)，輸出為高電平時(shí)表示遇到障礙物。 INTERNAL BLANKING：內(nèi)部消隱信號(hào)，給 INIT 引腳送高電平之后，該信號(hào)會(huì)變?yōu)楦唠娖剑挥性撔盘?hào)為低電平且發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí) ECHO 引腳才會(huì)有高電平輸出，如果在該信號(hào)為高電平期間有障礙物 ECHO 引腳也不會(huì)有高電平輸出。 BLNK 引腳：外部消隱信號(hào)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)后 ECHO 引腳會(huì)變?yōu)楦唠娖剑瑸榱藱z測(cè)多個(gè)目標(biāo)，應(yīng)再使 ECHO 引腳變?yōu)榈碗娖?，如果給 BLNK 送一個(gè)寬度大于 的脈沖，就可以完成此功能。 BINH 引腳：外部消隱允許，只有給此引腳送高電平， BLNK 所加的所有信號(hào)才有效。 Polaroid 6500 系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的工作方式： 6500 超聲驅(qū)動(dòng)模塊有兩種工作方式：?jiǎn)位芈暪ぷ鞣绞胶投嗷芈暪ぷ鞣绞?。給該模塊上電后，加觸發(fā)信號(hào) INIT，超聲波傳感器開始工作，內(nèi)部消隱允許信號(hào) BINH 在兩種工作方式下的應(yīng)用是相同的。觸發(fā) INIT 信號(hào)必須是給該模塊上電 5 毫秒之后，以保證內(nèi)部電路的復(fù)位及內(nèi)部晶振的穩(wěn)定。觸發(fā) INIT 信號(hào)后， XDCR 引腳會(huì)有輸出，頻率為 振幅為 400v 的 16個(gè)脈沖會(huì)激勵(lì)陶瓷震蕩片開始發(fā)出超聲波， 16 個(gè)脈沖之后幅值為 200 v 的電壓會(huì)作為最優(yōu)的選擇仍加在該傳感器上。為了消除超聲波傳感器自身的回響，會(huì)有一個(gè)高電平的 內(nèi)部消隱信號(hào)禁止 REC 接受回波，如果想提前結(jié)束內(nèi)部消隱，只需把 BINH 信號(hào)置為高電平即可提前結(jié)束內(nèi)部消隱。 在單回聲模式下（ Figure1），所有應(yīng)該做的是發(fā)出超聲波后等待回波， 回波信號(hào)被放大以 ECHO 引腳變?yōu)楦唠娖降男问捷敵?。記下從觸發(fā) INIT 到ECHO 引腳輸出高電平的時(shí)間邊可以計(jì)算傳感器到目標(biāo)的距離。如果想讓一個(gè)超聲波傳感器重復(fù)工作，在檢測(cè)完一個(gè)循環(huán)后，必須給 INIT 引腳送低電平，然后再觸發(fā) INIT，那么下一次測(cè)量就開始了。 **************** 論文 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 12 圖 單 回聲工作方式各引腳信號(hào) 如果用一個(gè)超聲波傳感器的一個(gè)發(fā)射循環(huán)來檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)即檢測(cè)多個(gè) 回波，它便是多回聲工作方式（ Figure2）。接受到第一個(gè)回波信號(hào)之后 ECHO 圖 多回聲工作方式各引腳信號(hào) 引腳回變?yōu)楦唠娖?，我們可以通過給外部消隱 BLNK 引腳送高電平來促使ECHO 引腳變?yōu)榈碗娖揭詡錂z測(cè)下一目標(biāo)之用 (注意：先使 BINH 變高，在讓外部消隱 BLNK 引腳送高電平 )。外部消隱信號(hào)的高電平必須至少保持 16個(gè)返回脈沖和允許內(nèi)部延遲時(shí)間 ,這一時(shí)間會(huì)使超聲波傳感器區(qū)別目標(biāo)的距離大于 3 英寸。 **************** 論文 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 13 隨著 INIT 變?yōu)楦唠娖揭粋€(gè)新的超聲測(cè)距周期就開始了，接收放大器的增益是離散性逐漸增加的，因?yàn)樾盘?hào)的傳播是隨著距離的增加而削弱的。大約 38 毫秒 之后增益達(dá)到最大。正因如此， 35 英尺以外的返回信號(hào)就難以被檢測(cè)到，盡管我們