【正文】 introducing the function of ultrasonic distance meter and presenting the theory and characters of ultrasonic sensor. And then the transmission, receiver, detection, display scheme of this distance meter system is brought out. At the same time, a number of main technical parameters are discussed. Key Words: ultrasonic,measuring distance, measurement accuracy 目 錄 第一章 緒論 ........................................................ 1 ........................................................... 1 ........................................... 1 ........................................... 2 第二章 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 .......................................... 3 ........................................................... 3 ..................................................... 3 ............................................. 4 ............................................... 4 波傳感器的原理及結(jié)構(gòu) ..................................... 4 ................................................... 7 第三章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì) .................................. 9 ........................................................... 9 ......................................... 9 ...................................... 10 .................................... 12 .......................................... 12 .......................................... 19 .................................................... 21 .................................................... 22 .................................................... 23 . AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng) ...................................... 24 ........................................ 27 ........................................ 27 .......................................... 28 第四章 結(jié)論及展望 ................................................ 32 參考文獻(xiàn) .......................................................... 33 致 謝 .......................................................... 34 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 1 第一章 緒論 高速度，高效率是現(xiàn)代工業(yè)的標(biāo)志，而這是 建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的。 一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于 1876 年 的氣哨實(shí)驗(yàn)。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。從此，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。 目前，計(jì)算機(jī)市場(chǎng)價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測(cè)儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，實(shí)際上 是最大的節(jié)約。 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 2 超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。 利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無(wú)目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽(tīng)到的超聲波 (20kHz 以上的機(jī)械波 )，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來(lái)的時(shí)間間隔長(zhǎng)短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。 超聲波方法在某些方面具有突出的優(yōu)點(diǎn) [2]: (1)超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體 (如玻璃、拋光體 )。特別是在空氣測(cè)距中，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高。一般而言是指聲音超過(guò)了 20kHz 以上時(shí)稱之為超聲波。在空氣里， a = 2x1013s2 /cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率 f=40kHz(超聲波 )代入式 (23)可得 , α =，即 1/α =3lm。 超聲波除了具有與電磁波相似的一面外 ，同時(shí)還具有其自身的一些特點(diǎn) : 1)能以各式各樣的傳播模式 (縱波、橫波、表面波、薄板波 )在氣體、液體、固體或它們的混合物等各種媒質(zhì)中傳播，也可在光不能通過(guò)的金屬、生物體中傳播，是探測(cè)物質(zhì)內(nèi)部的有效手段。根據(jù)振動(dòng)所產(chǎn)生波的頻率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于 20kHz 的聲波稱為超聲波。 (3)、能夠產(chǎn)生窄的脈沖，為了提高探測(cè)精度和分辨率，要求探測(cè)信號(hào)的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是波長(zhǎng)的幾倍 (如要產(chǎn)生更窄的脈沖在技術(shù)上是有困難的 )，超聲波波長(zhǎng)短，因此可以作為窄脈沖的信號(hào)發(fā)生器 。 聲波在真空中不能進(jìn)行傳播，必須通過(guò)氣體、液 體、固體或者三者的組合體作為介質(zhì)才能傳播。電聲型主要有 :壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 5 靜電傳感器。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分 [6]。相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn) 生一定方向的電場(chǎng)。如電場(chǎng)反向，則形變亦相反。 (2)正壓電效應(yīng) 當(dāng)對(duì)某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正 壓電效應(yīng)。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 6 械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。 C0靜電電容， R聯(lián)電阻， Cm和 Lm 為機(jī)械共振回路的電容和電感， Rm為陶瓷材料介電損耗并為損耗串聯(lián)電阻。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非 常方便的改變其固有諧振頻率 [9]。設(shè)換能器在空載 (Rm=0)和有載 (Rm=Rl)時(shí)的 Q 值分別襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 7 為 Qm0 、 Qm‘ 則 00000 1 RCRLQmmm ?? ?? (212) )( 1 10010 0 RRCRRLmQ mm ???? ?? (213) 000 RCQeo ?? (214) )( 1000 RRCQe ?? ? (215) 超聲波換能器的工作效率為 : 011RRR??? (216) 可見(jiàn)，在有負(fù)載時(shí)，負(fù)載的阻值關(guān)系到超聲波換能器的工作效率，阻值越大，工作效率越高，反之，越低。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦砸环瓷?、折射、干涉、衍射、散射。?dāng)超聲波以脈沖形式在介質(zhì)中傳播時(shí)，利用反射這一性質(zhì)，在金屬、非金屬中用來(lái)探測(cè)缺陷的位置和性質(zhì)，從而對(duì)鋼板、鍛件、焊縫、混凝土、人造石磨等進(jìn)行探傷檢驗(yàn) 。利襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 8 用超聲波的衰減特性，可以研究或測(cè)量材料的物理性質(zhì)。還可利用超聲波檢漏、測(cè)量液位、粘度、硬度和溫度等。超聲檢測(cè)設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。它是一種非破壞性的材料實(shí)驗(yàn)方法，即不需破壞被檢材料或工件就能探測(cè)其內(nèi)部的各種缺陷 (如裂紋、氣泡、夾雜物等 )的大小、形狀和分布狀況以及測(cè)定材料性質(zhì)。本章將介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的各個(gè)功能部分給出了具體的設(shè)計(jì)和說(shuō)明。如 :在溫度 T=0℃時(shí)， v=。 f2 被施加于超聲波發(fā)射換能器 T 上，這時(shí)超聲波發(fā)射換能器 T發(fā)出超聲波信號(hào) 。 單片機(jī)讀得時(shí)間值 。 中心頻率 kHZ140? kHZ140? 靈敏度 聲壓 0. 02 m P a )( 0dBm in 11 5dB ? )/10m in(70 ba rVdBdB ??? 指向性 ?75 ?80 容量 Pf%152500? Pf%251100? 最低使用溫度 C??40 C??40 最高使用溫度 C?85 C?85 最小探測(cè)距離 最大探測(cè)距離 10m 10m 分辨率 9mm 9mm 最大輸入電壓 20Vpp連續(xù)信號(hào) 表 31 傳感器特性參數(shù) 發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非 調(diào)諧式。電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率 40kHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。同時(shí)，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。 發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過(guò) 幾十毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。由于導(dǎo)通晶體管飽和，導(dǎo)通管 集、射極之間的管壓降可以用電壓 Uces(三極管的集電極飽和電壓降 )來(lái)等效。對(duì)硅管而言， Icbo很小 ( A)可以忽略不計(jì)。因此 bbbsbbsc b occRbRbs R EURR UIREIII ??? ????? (310) 0?? ccesccsbscbs R UEIII ???? (311) 從上式可知， Rb 、 |Ec|越大， |Eb|、 R越小，三極管飽和較深。 當(dāng) Q1導(dǎo)通時(shí) )( mAI cs ??? a、 E1 單獨(dú)作用時(shí) )(115 1 mAI ??? b、 A 點(diǎn)電壓?jiǎn)为?dú)作用時(shí) )( 2 mAI ??? 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 15 由上面兩式可得， )( mAIIIb ??? 于是 mAmAII bc )(1 1 511 ???? ? 所以，根據(jù)所選參數(shù)