【文章內(nèi)容簡介】 0 30 聲速（ m/s） 349 344 338 331 325 319 313 6 （ 2）聲阻抗特性 : 聲阻抗特性能直接表征介質的聲學性質 ， 其有效值等于傳聲介質的密度 ρ 與聲速 c 之積 ， 記作 cZ ?? 聲波在兩種介質的界面上反射能量與透射能量的變化 ,， 取決于這兩種介質的聲阻抗特性 。 兩種介質的聲阻抗特性差愈大 ， 則反射波的強度愈大 。 例如 ， 氣體與金屬材料的聲阻抗特性之比 ， 接近于 1:80000， 所以當聲波垂直入射在空氣與金屬的界面上時 ， 幾乎是百分之百地被反射 。 溫度的變化對 聲阻抗特性值有顯著的影響 ， 實際中應予以注意。 （ 3）聲的吸收 ： 傳聲介質對聲波的吸收是聲衰減的主要原因之一，固體介質的結構情況對聲波在其中的吸收有很大的影響。例如：均勻介質對超聲波的吸收并不顯著，而當介質結構不均勻時，聲吸收情況將發(fā)生明顯變化。 超聲波的發(fā)生原理 通常正常人耳朵的聽力的聲波范圍是 20Hz～ 20kHz，超聲波是指振動頻率在 20kHz以上的聲波 [6]。 因為它的振動次數(shù)甚高，超出了人類的聽覺上限，人們把這種聽不見的聲波叫 做超聲波。超聲波和可聞聲在本質上其實是一致的，它們的共同點都是 機械振 動波， 是一種縱波，在彈性介質內(nèi)傳播。它們在本質上是一種能量的傳播形式， 其不同點是超聲波頻率較可聞波頻率高， 波長也短，在一定范圍內(nèi)可沿直線傳播，且具有良好的束射性和方向性。 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，為此利用超聲波的這種性質就可以制成超聲波傳感器。 有多種方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來選用其振蕩電路 [7]。 總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為 兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等 [8]。它們所產(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)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超 聲波時，將壓迫壓電晶片 7 作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了 。 超聲波傳感器的原理與特性 原理 用超聲波作為檢測手段，應能發(fā)射超聲波和接收超聲波?？蓪⒊暡ㄅc電量做轉換的裝置稱為超聲波傳感器。習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (或稱壓電式超聲波探頭 )和磁致伸縮式超聲波傳感器。 （ 1） 壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器主要由超聲波發(fā)射器 (或稱發(fā)射探頭 )和超聲波接收器 (或稱接收探頭 )兩部分組成 ， 它們都是利用壓電材料 (如石英 ， 壓電陶瓷等 )的壓電效應進行工作的。利用逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應將接收的超聲振動波轉換成電信號時，以此作為超聲波的接收器。 在實際應用中 ， 壓電式超聲波傳感器的發(fā)射器和接收器也可合成為一體 ， 由一個壓電元件作為 發(fā)射 和 接收 兼用，其工作原理為：將脈沖交流電壓加在壓電元件上 ， 使其向被測介質發(fā)射超聲波，同時又利用它接收從該介質中反射回來的超聲波，并將反射波轉換為電信號輸出。因此，壓電式超聲波傳感器實質上是一種壓電式傳感器。 （ 2）磁滯式 超聲波傳感器 磁滯式超聲波傳感器主要由鐵磁材料和線圈組成 。 超聲波的發(fā)射原理是 ： 把鐵磁材料置于交變磁場中 ， 產(chǎn)生機械振動 ,發(fā)射出超聲波 。 其接收原理是 ： 當超聲波作用在磁致材料上時 ， 使磁滯材料振動 ,引起內(nèi)部磁場變化 ， 根據(jù)電磁感應原理 ， 使線圈產(chǎn)生相應的感應電勢輸出。 本項目所用的壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的 。超聲波換能器內(nèi)部結構如圖 21 所示，它有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲 波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號， 8 這時它就成為超聲波接收換能器了 [9]。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 圖 21 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結構 超聲波測距原理為：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，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即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340 sm/ ，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (S )，即 ： 2/340tS? 這就是所謂的時間差測距法也有稱為渡越時間法 TOF（ time of flight），見圖 22。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波 的雙重作用，即為可逆元件。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感 器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等 [10]。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。 圖 22 超聲波測距示意圖 9 特性 現(xiàn)以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表22 示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標稱頻率為 40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實際上發(fā)送超聲波時是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時各自使用并聯(lián)諧振頻率。 表 22 超聲波傳感器 MA40S2R/S 的特性 種類特性 MA40S2R 接收 MA40S2S 發(fā)送 標稱頻率 40kHz 靈敏度 － 74dB 以上 100dB 以上 帶寬 6kHz 以上 (－ 80dB) 7kHz 以上 (90dB) 電容 1600pF 1600pF 絕緣電阻 100MΩ 以上 溫度特性 － 20~+60℃ 范圍內(nèi)靈敏度變化在 10dB 以內(nèi) 超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此 ，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進行頻率調整和阻抗匹配。 MA40S2R/S 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時要充分考慮到這一點以免逸出標稱頻率。 圖 23表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報警裝置等。 超聲波測距儀的測距原理 超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間法三種。其中，相位檢測法精度高，但檢測范圍有限 。 聲波幅值檢測法易受反射介質的影響 [11]。因此，當 前超聲波測距一般使 用渡越時間法。 本系統(tǒng)的特點是 采用 AT89C52 單片機作為控制器，控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時， 用動態(tài)掃描法實現(xiàn)測距的LED 數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器產(chǎn)生，超聲波測距系統(tǒng)組成框圖見 10 圖 24。 圖 23 傳感器的方向性 如圖 25 所示，超聲波測距系統(tǒng)是由控制電路、超聲波接收電路、超聲波發(fā)射電路、顯示電路及電源電路幾部分組成的。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓為 +5V 左右，再經(jīng)傳 感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。下面將分單 片 機 發(fā)射電路 接收電路 障 礙 物 發(fā)射頭 接收頭 圖 24 超聲波測距系統(tǒng) 原理圖 11 別介紹控制電路也即單片機最小系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收電路、及顯示電路。 圖 25 超聲波 測距 系統(tǒng)的構成 單片機最小系統(tǒng) 其作用主要是為了保證單片機系統(tǒng)能正常工作。單片機最小系統(tǒng)主要由 AT89C52單片機、外部振蕩電路、復位電路和 +5V 電源組成。在外部振蕩電路中，單片機的 XTAL1和 XTAL2 管腳分別接至由 12MH。 晶振和兩個 22pF 電容構成的振蕩電路兩側，為電路提供正常的時鐘脈沖。在復位電路中，單片機 RST 管 腳一方面經(jīng) 10μF 的電容接至電源正極，實現(xiàn)上電自動復位，另一方面經(jīng)開關 s 接電源。其主要功能是把 PC 初始化為0000H，是單片機從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，除了進入系統(tǒng)的初始化之外，當由于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復位鍵重新啟動，因此，復位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的一部分。 而且單片機最小系統(tǒng)也是本次課題設計 的控制中心，由它負責超聲波的發(fā)出與接收，計算并處理測量結果，最后將結果通LED顯示電路 電源電路 AT89C52 系統(tǒng)控制電路 超聲波 發(fā)射電路 超聲波接收電路 12 過 P0 口顯示出來?？梢哉f它是整個設計的核心所在，好比大腦之于人類的重要性。如圖 26 即為單片 機最小系統(tǒng)。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2R11 0 kC11 0 u F+ 5 v+ 5 vC22 2 p FC32 2 p F 圖 26 單片機最小系統(tǒng) 超聲 波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路如圖 27所示， AT89C52通過外部引腳 輸出脈沖寬度為 25μs , 40kHz的 20個脈沖串通過超聲波驅動電路以推挽方式加到超聲波傳感器而發(fā)射出超聲波。由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比 ， 為了使測距范圍足夠遠 ， 可對振蕩信號進行功率放大后再加在超聲波傳感器上。 發(fā)射電路的主要目的是驅動超聲波發(fā)射探頭內(nèi)的壓電晶片振動，使之發(fā)出超聲波，并且發(fā)射的超聲波具有一定的能量，可傳播較遠的距離，實現(xiàn)測量的目的。驅動超聲發(fā)射探 頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖即可。發(fā)射脈沖可以由單片機或振動器來實現(xiàn)。本設計中采用的是由單片機發(fā)出 40kHz 的方波，單片機 輸出的 40kHz 方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極。另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推 13 挽形式將方波信號加到超聲波 換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)， 用以提高驅動能力。 加 上拉電阻一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅動能力， 另一方面可以增加超聲波換能器 的阻尼效果 ，縮短其自由振蕩的時間。 該測距電路的 40kHz 方波由單片機編程產(chǎn)生，方波的周期為 1/40ms ，即 25181。s，半周期為 。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生 40kHz 方波。 圖 27 發(fā)射部分電路圖 超聲波接收電路 超聲波接收器接收反射的超聲波轉換為 40KHz 毫伏級的電壓信號 ,需要經(jīng)過放大、處理、用于觸發(fā)單片機中斷 INT0。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘栁⑷酰瑫r根據(jù)反射條件不同信號大小變化較大 ， 需要放大倍數(shù)大約為 100 到 5000 倍 ， 另一方面?zhèn)鞲衅鬏?