【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的 振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 167。 超聲波傳感器的簡(jiǎn)介 超聲波傳感器是利用超聲波的 特性 研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為 射線 而定向傳 播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)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。他們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，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。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如 圖 21 和 22 所示。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 21 超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 22 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 167。 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 超聲波傳感 器分機(jī)械方式和電氣方式兩類(lèi)本 。本 次設(shè)計(jì)超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電 方 式 。 它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越 遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 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(lèi)，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有壓電傳感器 、 磁致伸縮傳感器 、 靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類(lèi)型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱(chēng)也有不同，例如在 超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱(chēng)作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱(chēng)為“哨”或“笛”。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。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)換的一種傳感器河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類(lèi)。屬于晶體的如石英，妮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特性 :把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變 。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)。所以，只要對(duì)這種材 料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(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)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。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)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。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。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)。 圖 23 雙壓電晶片示意圖 雙壓電晶片如圖 23 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)。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 24 雙壓電晶片的等效電路圖 雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， 0C 為靜電電容， R 為陶瓷材料介電損耗 ,并聯(lián)電阻 Cm 和 Lm 為機(jī)械共振回路的電容和電感， mR 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? o。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。 超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)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(guò)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。 167。 超聲波傳感器的選擇 測(cè)距系統(tǒng)的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器 ,常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有衰減 ,衰減的程度與頻率的高低成正比 , 而頻率高分辨率也高 , 故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器 , 而長(zhǎng)距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。本文設(shè)計(jì)主要用于倒車(chē)?yán)走_(dá)等方面的應(yīng)用 , 故選擇頻率高的傳感器。 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。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 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(jiàn)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(guò)程中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高。本文中選用的探頭是 40KHz 的收發(fā)分體式 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊。 167。 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊的 簡(jiǎn)介 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 （ 1） 采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給最少 10us 的高電平信呈。 （ 2） 模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回 。 （ 3） 有信號(hào)返回，通過(guò) IO 口 ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間 就 是超 聲 波 從 發(fā) 射到 返 回 的 時(shí) 間 。測(cè) 試 距 離 =( 高電 平 時(shí) 間 ? 聲速(340M/S))/2。 圖 25 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊實(shí)物 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 如圖 25 接線， VCC 供 5V 電源， GND 為地線， TRIG 觸發(fā)控制信號(hào)輸入， ECHO 回響信號(hào)輸出等四個(gè)接口端。 表 21 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊的電氣參數(shù) 電氣參數(shù) HCSR04 超聲波模塊 工作電壓 DC 5 V 工作電流 15mA 工作頻率 40kHz 最遠(yuǎn)射程 4m 最近射程 2cm 測(cè)量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號(hào) 10uS 的 TTL 脈沖 輸出回響信號(hào) 輸出 TTL 電平信號(hào)，與射程 成比例 規(guī)格尺寸 45? 20? 15mm 圖 26 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊的時(shí)序圖 以上時(shí)序圖表明你只需要提供一個(gè) 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 部將發(fā)出 8 個(gè) 40kHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì) 算得到距離。公式： uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是距離 =高電平時(shí)間 ? 聲速（ 340M/S） /2；建議測(cè)量周期為 60ms 以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。 167。 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距。其原理是利用超聲波的發(fā)射和接受 ,根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。如圖 23 所示為反射時(shí)間法測(cè)距原理圖 ， 利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射 回波的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離 ,對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù) ,我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間 T 利用公式 S=C (T/2)其中 ， S 為被測(cè)距離、 V 為空氣中聲速、T 為回波時(shí)間 (T=T2T1)， T1 為超聲波發(fā)出的時(shí)刻 ， T2 為超聲波返回的時(shí)刻 ，可以計(jì)算出路程 ， 這種方法不受聲波強(qiáng)度的影響。這樣可以求出距離 ： S=C (T2T1)/2。 T XT 1T 2R X 圖 23 超聲波測(cè)距原理 超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速 c 與溫度有關(guān)。如果環(huán)境溫度變化顯著，必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可 以表示為： )/(????? (21) 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 式中， T 為環(huán)境攝氏溫度℃。 表 22 聲速與溫度的關(guān)系表 溫度（攝氏度） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速（米／秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 c 是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 c 為 340m/s。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過(guò)改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不 變的情況下通過(guò)軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正。 167。 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 25181。s(l 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 100181。s(4 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )，200181。s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 800181。s(32 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射 信號(hào)后的接收信號(hào)。最終采用短距離 (2m 內(nèi) )發(fā)射 200181。s(8 個(gè)40KHz 方波脈沖 )發(fā)射脈沖寬度 ； 長(zhǎng)距離 (2m 外 )發(fā)射 800181。s(32 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開(kāi)盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。 167。 測(cè)量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象稱(chēng)為阻塞。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度 對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱(chēng)為盲區(qū)，具體分析如下 ： V mV M放 大 器 輸 入 電 路A接 收 信 號(hào) 幅 值發(fā) 射 信 號(hào) 幅 值bca0發(fā) 射 后 時(shí) 間 圖 28 傳感器回波測(cè)距原理分析圖 如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定余振 (由于機(jī)械慣性作用 )。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平 Vm； 另一方面，接收探 頭上