【正文】 折射定律 入射角α的正弦與折射角β的正弦之比等于入射波中介質(zhì)的波速 v 與折射波中介質(zhì)的波速 v2 之比即 2l 3 反射系數(shù) 當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)因?yàn)閮煞N介質(zhì)的密度 不同和聲速在其中傳播的速度不同在分界面上聲波會(huì)產(chǎn)生反射和折射反射聲強(qiáng) IR 與入射聲強(qiáng)I0 之比稱為反射系數(shù)反射系數(shù) R 的大小為 22 式中 IR為反射聲強(qiáng) I0為射聲強(qiáng) Z1為第一介質(zhì)的聲阻抗 Z2為第二介質(zhì)的聲阻抗 在聲波垂直入射時(shí)α β 0 上式可化簡為 23 若聲波從水中傳播到空氣在常溫下它們的聲阻抗約為 Z1 144106Z2 4102 代入上式則得 R 0999 這說明當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體或相反得情況下 由于兩種介質(zhì)得聲阻抗相差懸殊聲波幾乎全部被反射 3 聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大液體其次固體吸收最小而衰減最小因此對(duì)于一給定強(qiáng)度的聲波在氣體中傳播的距離會(huì)明顯比在液體和固體中傳播的距離短另外聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)頻率越高聲波的衰減也越大因此超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的衰減更明顯衰減的大小用衰減系數(shù)α表示其單位為 dBm 通常用 103dBmm 表示在一般探測(cè)頻率上材料的衰減系數(shù)在一到幾百之間如水及其他衰減材料 a 為 14 l03dBmm假如α為 1dBmm則聲波穿透 lmm距離時(shí)衰減為 10穿透 20mm距離時(shí)衰減為 90 212 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 超聲波為直線傳播方式頻率越高繞射能力越弱但反射能力越強(qiáng)為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器它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目前常用的超聲傳感器有兩大類即電聲型與流體動(dòng)力型電聲型主要有 1壓電傳感器 2磁致伸縮傳感器 3[7] 圖 22 雙壓電晶片示意圖 雙壓電晶片如圖 22所示當(dāng)在 AB間施加交流電壓時(shí)若 A片的電場(chǎng)方向與極化方向相同則下面的方向相反因此上下一伸一縮形成超聲波振動(dòng) 圖 23 雙壓電晶片的等效電路 雙壓電晶片的等效電路如圖 23所示 C0為靜電電容 R為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻 0和 Lm為機(jī)械共振回路的電容和電感 Rm為損耗串聯(lián)電阻壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率即中心頻率兒發(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這樣超聲傳感器才有較高的靈敏度當(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利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器 圖 24 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 24 所示它采用雙晶振子即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起在長度方向上一片伸長另一片就縮短在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極其上面用引線通過金屬板 振動(dòng)板 接到一個(gè)電極端下面用引線直接接到另一個(gè)電極端雙晶振子為正方形正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)金屬板的中心有圓 錐形振子發(fā)送超聲波時(shí)圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性因而能高效率地發(fā)送超聲波接收超聲波時(shí)超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓 213 超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇 1 主要參數(shù) 1 中心頻率 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有 30KHz4OKHz75KHz200KHz400KHz 等 2 靈敏度 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 3 指向角 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 4 工作溫度 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℃一 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 [9] 2 超聲傳感器的選擇 超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式可分成直探頭 接收縱波 斜探頭 接收橫波 表面波探頭 接收表面波 收發(fā)一 體式探頭收發(fā)分體式雙探頭等超聲波傳感器分通用型寬頻帶型耐高溫型密封放水型等多種產(chǎn)品一般電子市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器即可發(fā)送超聲波又可接受超聲波收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波接受器用作接受超聲波 在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中頻率取得太低外界的雜音干擾較多頻率取得太高在傳播的過程中衰減較大檢測(cè)距離越短分辨力也變高木文中選用的探頭是 4OKHz 的收發(fā)分體式超聲傳感器由一支發(fā)射傳感器 UCMT40 和一支接收傳感器 UCMR4O組成其特性參數(shù)如表 21 所示 表 21 傳感器特性參數(shù)表 型號(hào) UCMt40 UCMr40 使用方式 發(fā)射 接收 中心頻率 40177。 05kHz 2177。 [N]．北京機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2020 年 1 月第 1 期 2223 [3]史曉華杜新培．超聲波測(cè)距系統(tǒng) [J]．北京科技廣場(chǎng) Science Mosaic2020年 05 期 1819 [4]周應(yīng)華蔡雪梅劉燕飛．超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M]．北京裝備制造技術(shù)Equipment Manufacturning Technology2020 年 11 期 1922 [5]童峰許水源許天增．一種高精度超聲波測(cè)距處理方法 [J]．廈門廈門大學(xué)學(xué)報(bào) 自然 科學(xué)版 Journal of Xiamen University Natural Science 2020 年 7月第 37 卷第 4 期 3031 [6]張文祥．基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng) [D]．碩士學(xué)位論文．安徽安徽大學(xué)． 2020 [7]張力．略論我國非金屬超聲波檢測(cè)儀器的發(fā)展?fàn)顩r [J]．北京工程質(zhì)量1998 年 01 期 810 [8]胡永峰石景波．一種應(yīng)用于超聲波檢測(cè)中的自相關(guān)算法 [J]．北京現(xiàn)代電子技術(shù) 2020 2 1012 [9]潘仲明簡盈王躍科．大作用距離超聲波傳感技術(shù)研究 [N]．北京傳感技術(shù)學(xué)報(bào) 2020 19 2931 [10]李陽．?dāng)?shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) [M]．北京北京電子工業(yè)出版社 2020 [11]范立南李雪飛尹授遠(yuǎn)．單片微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [M]．北京人民郵電出版 20203041 [12]李群芳．單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)第二版 [M]．北京電子工業(yè)出版社20202031 [13]童詩白．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [J]．北京高等教育出版社 2020． 21 [14]宋文緒楊帆主編．傳感器與檢測(cè)技術(shù) [M]．北京高等教育出版社 2020． 13 [15]何希才薛永毅編著．傳感器及其應(yīng)用實(shí)例 [J]．北京機(jī)械工業(yè)出版社2020 [16]李榮正 等 PIC 單片機(jī)原理及應(yīng)用第 2 版 [M]北京航天航空大學(xué)出版社2020． 11 [17]李學(xué)海 PIC 單片機(jī)實(shí)用教程－基礎(chǔ)篇第 1 版 [M]北京航天航空大學(xué)出版社 2020． 12 [18]陳大新利用 FPGA改進(jìn)超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì) [J]傳感器技術(shù) 2020 24 5759 [19]羅慶生韓寶玲一種基于超聲波與紅外線探測(cè)技術(shù)的測(cè)距定位系統(tǒng) [J]計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2020 4 304305 [20]阮成功藍(lán)兆輝陳碩基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng) [J]應(yīng)用科技 2020 7 2224 [21]楊自棟簡易超聲波測(cè)距儀軟硬件設(shè)計(jì) [J]農(nóng)業(yè)裝 備與車輛工程 2020 [22]曾德懷謝存禧張鐵黃瑞華行走機(jī)器人的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究 [J]機(jī)械科學(xué)與技術(shù) 2020 5 1316 [23]張鵬一種新型超生測(cè)距系統(tǒng) [J]山東山東大學(xué)學(xué)報(bào) 2020 [24]李麗霞單片機(jī)在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用 [J]電子技術(shù) 2020 6 79 [25]姜道連寧延一袁世良用 AT89C51 設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀 [J]國外電子元器件202020 [27]Johann BorensteinYoram KorenHistogramic inmotion mapping for mobile robot obstacle avoidance[J]． IEEE Transactions on Robotics and Automation20202020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁共 2 頁 第 2 頁共 2 頁 第 II 頁共 Ⅱ 頁 第 1 頁共 37 頁 h d S 障礙物 發(fā)射端 接收端 顯 示 電 路 單 片 機(jī) 處 理 部 分 發(fā)射電路 檢測(cè)電路 接收電路 發(fā)射探頭 接收探頭 障 礙 物 否 是 開始 初始化 設(shè)定測(cè)距值域程序 跳入測(cè)距程序 5 秒后進(jìn)行跳轉(zhuǎn)繼續(xù)測(cè)量 測(cè)量距離與保存值比較是否有車 顯示并輸出 數(shù)據(jù) 5 秒后跳轉(zhuǎn) 丁永紅 通 信 工 程 信 息 與 通 信 工 程 學(xué) 院