【正文】 21)11(121)(???????????sQssQARRRCsCRssCRSAuou (322) 上式中 : 210 ??? ?? 為帶通濾波器的中心角頻率。 (4)有源濾波器的上限頻率由于受有源器件 (主要是集成運(yùn)放 )本身帶寬的限制，一般只用在幾十千赫以下的頻率范圍內(nèi)，其最高頻率也只接近 1 頻率范圍內(nèi)一般均采用無(wú)源濾波器。 （ 2)由于運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低以及高增益、高穩(wěn)定性 和高閉環(huán)增益等參數(shù)調(diào)整靈活的一系列優(yōu)點(diǎn)，從而為有源濾波器的設(shè)計(jì)提供了很 大的方便。與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器一般具有下列特點(diǎn) [17]。 在電子電路控制系統(tǒng)中，積分電路與微分電路常用作調(diào)節(jié)電路，此外也廣泛應(yīng)用于波形的產(chǎn)生和變換之中，以集成運(yùn)放作為放大電路，利用電阻電容作為反饋網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)此兩種運(yùn)算電路 [16]。程序如下 : NAME CS_T ?PR? CS_T? CS_T SEGMENT CODE PUBLIC CS_T RSEG ?PR?CS_T?CS_T CS_T: PUSH ACC MOV THO,00H MOV TL0,OOH MOV A, 4D SETB TR0 CST_1: CPL NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ ACC,CS_T1 POP ACC RET END 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 19 根據(jù)電路需求，需要接收放大電路滿足以下要求 : (1)將微弱信號(hào)放大 。中斷服務(wù)不能過(guò)長(zhǎng)，如果過(guò)長(zhǎng)，單片機(jī)在前一個(gè)中斷服務(wù)程序還沒(méi)執(zhí)行 完之前，又會(huì)有下一個(gè)中斷產(chǎn)生。 兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間分別為 : 1)1( CRRt Wa?? (314) 1)2( CRRt Wb?? (315) 振蕩周期 T為 : 1)21( CRRRttT W????? （ 316） 占空比為 : WWaRRR RRTtD ?? ??? 21 11 （ 317） 其中 WbWaW RRR ?? 該電路通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻 Rw，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)占空比的大小。電源編對(duì)電容充電，充電回路為 : ????? 111 CDRRV WaDD 地。在超聲測(cè)距中，一般采用 40kHz 的信號(hào)。當(dāng)加載在超聲波傳感器的兩端的信號(hào)頻率與其固有頻率為同一頻率時(shí)，發(fā)生共振，電能可以高效率的轉(zhuǎn)化為機(jī)械機(jī)械能。 當(dāng) Q2導(dǎo)通時(shí) a、 E3 單獨(dú)作用時(shí) )( 1 mAI ???? b、 E2 單獨(dú)作用時(shí) )(1 4 0 0 2 mAI ????? 由上面兩式可得 : )( mAIIIb ??? 于是 mAmAII bc )(1 5 622 ???? ? 所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管 Q2可以處于深度飽和導(dǎo)通。當(dāng) bsc UE ?? ， cesc UE ?? ， bsb UE ?? ，cc RRR ????? 時(shí)，則上式可近似為 : cbb E RER ?? (313) 這是選擇 Rb的另一個(gè)條件。而另一個(gè)三極管是工作在截止?fàn)顟B(tài)，但集電極仍有一小電流 Icbo，因此導(dǎo)通三極管基極部分的電流如圖 所示。設(shè)晶體管臨界截止的基極電壓為 Uboc，則保證晶體管截比的基極電壓 Ubo≤ Uboc，則 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 13 b o cbc b obbbb bc e sb UEIRR RRRRR EUU ???????0 (37) bocb bc b obbcesbo URR RRIRERUU ?? ??? (38) 從式 38 可以看出 :Rb 、 |Uces|越小， |Eb| R 越大，基極和發(fā)射極之間反向偏電壓降越大，三極管截止越深 。 超聲波發(fā)射電路 要電路能正常工作，就要求在沒(méi)有加任何外加信號(hào)時(shí)，觸發(fā)器截止的晶體管能可靠地截止，導(dǎo)通的晶體管能可靠的飽和 [13]。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低，適宜于探測(cè)厚度大，對(duì)分辨力要求不高的試件。但是，每一支實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過(guò)了這個(gè)極限值之后，會(huì)對(duì)傳感器的內(nèi)部襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 12 電路造成不可恢復(fù)的損害。在非調(diào)諧式電路中沒(méi)有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。如果需要更高頻率的超聲探頭，比如幾百 赫茲或者幾兆赫茲的頻率，就需要到專業(yè)經(jīng)營(yíng)超聲產(chǎn)品的廠商去購(gòu)買或者定制。 超聲波信號(hào)被超聲波接收換能器 R 收到，并超聲波接收換能器 R的輸出信號(hào)為 f3, f3 通過(guò) 4級(jí)選頻放大器和 4級(jí)門限電路后，其輸出信號(hào)為 f7。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及器件的選擇也正是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 超聲波測(cè)距硬件電路圖 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的具體工作過(guò)程計(jì)劃如下 : 由單片機(jī)發(fā)出 40kHz 的脈沖串 。 圖 波測(cè)距原理圖 超聲波測(cè)距原理如圖 ，圖中被測(cè)距離為 H，兩探頭中心距離的一半用 M表示，超聲波單程所走過(guò)的距離用 L 表示 ，由圖中關(guān)系可得 : ?cos??LH (31) )( HMrctg?? ? (32) 將（ 32）式代入（ 31）式可得： )](c o s [ HMrctgLH ??? （ 33） 在整個(gè)傳播過(guò)程中，超聲波所走過(guò)的距離為 : tvL ??2 （ 34） 式中 V 為超聲波的傳播速度， t 為傳播時(shí)間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁(yè) 9 第三章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì) 在上一章中，我們己經(jīng)知道超聲波的基本特性和超聲波傳感器的工作原理。 利用超聲波除了可以測(cè)量距離、液位高度以外，還可以用于超聲探 傷。 超聲 波測(cè)量在國(guó)防、航空航天、電力、石油化工、機(jī)械、材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障安全，還可起到節(jié)約能源、降低成本的作用。若將超聲波作為載波傳送某些信號(hào)，則可制成水中電話，水中遙測(cè)儀等，以進(jìn)行水中通信。在人體中則可以協(xié)助臨床診斷疾病 (如肝膿腫、腫瘤、膽結(jié)石等 )和探測(cè)胎兒等。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速，方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如 :液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。 c mR 0R mABC 0L m 圖 雙壓電品片等效電路 超聲波傳感器的機(jī)械能用 Qm 表示，電能用 Qe表示。發(fā)射超聲波時(shí)，加在 其上面的交變電壓的頻率要 與它的固有諧振頻率一致。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械 變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào) [8]。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。利用逆壓電效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波。因此，用這種材料可以制成超聲波傳感器。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯(cuò)欽酸鉛，欽酸鋇等。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且 名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲波傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛” [5]。 超聲波傳感器 (也稱作超聲波換能器 )是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。聲波作用于物體時(shí)，物體的分子也要隨著運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運(yùn)動(dòng)速度越快，物體獲得的能量正比于分子運(yùn)動(dòng)速度的平方。在傳播中，超聲波的速度與聲波相同 。 3)由于傳播時(shí)受介質(zhì)聲速、聲阻抗和衰減常數(shù)的影響大，所以，反過(guò)來(lái)可由超聲波傳播的情況測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài) [3]。它的物理意義是 :在 1/α長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來(lái)的 e分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。超聲波在相同的傳播媒體里 (如大氣條件 )傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致，是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法與電磁波是類似的 : )c o s ()( kxwtxAA ?? (21) axeAxA ?? 0)( (22) 式中， A(x)為振幅， A0為常數(shù)， w 為圓頻率， t 為時(shí)間， x 為傳播距離， ??2?K 為波數(shù)， A 為波長(zhǎng)， a為衰減系數(shù)。尤其是超聲波傳感器是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的重要部件，用于超聲波的發(fā)射和接收，所以超聲傳感器的工作原理也是整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 ，這些將是本章討論的重點(diǎn)。 (3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和集成化。超聲波測(cè)距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電 開關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機(jī)械型超聲換能器。高智能化檢測(cè)儀器只能滿足檢測(cè)條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測(cè)試內(nèi)容等基本情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。 1978 年 10月，中國(guó)建筑科學(xué)院研制出 JC2 型便攜式超聲波檢測(cè)儀。五十年代末六十年代初，國(guó)內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。 這些年來(lái)，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無(wú)損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來(lái)越普及。當(dāng)然，這與數(shù)十年來(lái)多方的重視和廣大從業(yè)人員的艱辛努力是分不開的，由于他們的努力使無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在這方面已具有一定的水平，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，無(wú)損檢測(cè)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，研制，使用部門已被卓有成效的運(yùn)用。在介紹超聲傳感器原理與特性和超聲測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ) 上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測(cè)量待測(cè)距離。設(shè)計(jì)和工藝人員理應(yīng)了解非均一的組織結(jié)構(gòu)，隨機(jī)出現(xiàn)的微觀，宏觀缺陷，常?？梢杂袝r(shí)甚至是只能依靠無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用方可予以發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)。當(dāng)時(shí)Galton 哨在空氣中產(chǎn)生的頻率達(dá) 3 X 100Hz，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。 五十年代，我國(guó)開始從國(guó)外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的推廣普及。過(guò)去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。 1883 年Galton 首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過(guò)狹縫噴嘴形成氣流，吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng)形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。由于超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，