【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 密 封型超聲波傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可應(yīng)用于汽車后方檢測(cè)物體的裝置以及待時(shí)計(jì)算器等。 (4)高頻型超聲波傳感器 上述各種類型傳感器的中心頻率只有數(shù)十 kHz，但中心頻率高于 100kHz 的傳感器近來(lái)也有銷售。 超聲波發(fā)射器 發(fā)射器的作用是形成與被檢測(cè)對(duì)象相作用的超聲波束，它的特性包括共振頻率、方向性、電聲變換效率、穩(wěn)定性等。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，超聲波束可以是強(qiáng)方向性的、扇狀的、無(wú)方向的形狀，還有些發(fā)射器附帶有調(diào)整層，以便發(fā)射器與媒質(zhì)的音內(nèi)阻抗相匹配。超聲波發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括，反壓電效應(yīng)、 電致伸縮效應(yīng)、動(dòng)電效應(yīng)、電磁效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)等，它恰好是上述超聲波接受的相反作用，所以從結(jié)構(gòu)上看，發(fā)射與接受呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 圖 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖 超聲波接收器 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 9 超聲波接收器接收原理基于伴隨聲波而產(chǎn)生的電容、壓電、反壓電、動(dòng)電、電磁、反磁致伸縮聲光效應(yīng)等。優(yōu)點(diǎn)是與空氣的聲阻抗匹配良好，頻帶寬。 壓電型主要用石英晶體或氧化鋅材料。電致伸縮型微音器的接收器用反壓電效應(yīng)大的電介質(zhì)板作為接收器。結(jié)構(gòu)上有采用 PVDF 膜作為受音體、也有采用欽酸、鎬酸鉛系列陶瓷以板狀或圓桶狀受音體的形式結(jié)構(gòu)。 在壓電膜上制作梳狀電極，可以構(gòu)成檢測(cè)超高頻段的聲表面波的傳感器。 動(dòng)圈式接受器的結(jié)構(gòu)為在磁場(chǎng)中防止帶有受音板的可動(dòng)線圈或?qū)w帶，當(dāng)它們因超聲波而運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于受音體慣性大，因而只適用于低頻。 電磁效應(yīng)型接收器的結(jié)構(gòu)是將磁性受音板作為磁路的一部分，在磁路中設(shè)置拾音線圈。當(dāng)超聲波傳來(lái)時(shí)，受音板發(fā)生唯一，使磁路磁場(chǎng)發(fā)生變化，在拾音線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)?；诜创胖律炜s效應(yīng)的超聲波接受器的構(gòu)造主要有用磁致伸縮材料構(gòu)成的線圈狀結(jié)構(gòu)，使用于低頻；還有用磁致伸縮材料涂敷在物體表面上形成的結(jié)構(gòu)，適用于高頻，前者檢測(cè) 感應(yīng)電流；后者檢測(cè)置于靜磁場(chǎng)空腔諧振器內(nèi)，因超聲波導(dǎo)致磁阻致伸縮效應(yīng)引起的微波磁場(chǎng)。聲光效應(yīng)構(gòu)成的超聲波傳感器有利用光纖的波導(dǎo)部分的形變敏感構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，也有利用對(duì)彈性體表面或內(nèi)部彈性波束的衍射品格作用形成的結(jié)構(gòu)。 超聲測(cè)距原理 [14] 超聲測(cè)距原理 最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法 ， 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離 S，即： S=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如下圖所示： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 10 圖 超聲波的測(cè)距原理 ?cosSH? )(HLarctg?? 式中 :L 為兩探頭之間中心距離的一半 . 又知道超聲波傳播的距離為 : vtS?2 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 。 t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間 . 將（ ）、（ ）代入（ ）中得： ][vt c os21 HLar ctgH ? 其中 ,超聲波的傳播速度 v 在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù) (例如在溫度 T=30C? 時(shí) ,V=349m/s)。當(dāng)需要測(cè)量的距離 H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L 時(shí) , 公式 變?yōu)?: vtH 21? 所以 ,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間 t,就可以得出測(cè)量的距離 H。 超聲波測(cè)量中盲區(qū)及近限和遠(yuǎn)限 用脈沖回波法測(cè)量距離時(shí)，障礙物與超聲波探頭間的距離既不能太遠(yuǎn)也不能太近，存在著距離測(cè)量的近限和遠(yuǎn)限。距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，接收到的信號(hào)太弱，以致無(wú)法從噪聲信號(hào)中分辨出來(lái)，這是遠(yuǎn)限存在的原因。在距離過(guò)近時(shí)，接收信號(hào)將落進(jìn)盲區(qū)中而無(wú)法分辨出 來(lái)，這是近 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 11 限所以存在的原因。 在使用一個(gè)探頭同時(shí)充當(dāng)發(fā)射和接收的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強(qiáng)達(dá)幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號(hào)只維持一個(gè)極短的時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍是相當(dāng)強(qiáng)的，可以達(dá)到限幅電路，引起探頭振動(dòng)，不能進(jìn)行正確的測(cè)量。同時(shí)，探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近處的液面反射信號(hào)也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)液面離探頭越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，其幅值相應(yīng)的越 來(lái)越小。同時(shí)，接收信號(hào)的衰減程度總是要比發(fā)射信號(hào)余振的衰減慢得多。為了保證一定的信噪比，接收信號(hào)需要規(guī)定一個(gè)值，接收信號(hào)必須大于這個(gè)值，不能能有輸出信號(hào)。這就構(gòu)成了遠(yuǎn)限的問(wèn)題。 而使用雙探頭方式 [15]，不僅可以增加探測(cè)距離，還可以減小盲區(qū)。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說(shuō)，可以沒有盲區(qū)。但是，由于接收電路多少會(huì)受到發(fā)射電路的感應(yīng)，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實(shí)際上仍存在一定的盲區(qū)，不過(guò)它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。 在本次設(shè)計(jì)中，選取雙探頭的工作方式，減小 盲區(qū)，同時(shí)提高檢測(cè)的距離。 提高測(cè)距儀性能的方法 要想通過(guò)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間確定距離，聲速 C 必須恒定，實(shí)際上聲速隨介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。對(duì)一定介質(zhì)，通常采用對(duì)溫度進(jìn)行修正的方法 [16]，可以測(cè)得比較準(zhǔn)確的距離。通過(guò)對(duì)溫度修正來(lái)校正聲速的方法，即用測(cè)溫元件測(cè)量實(shí)際環(huán)境，根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系計(jì)算出測(cè)量時(shí)實(shí)際環(huán)境中的聲速，再根據(jù)測(cè)距公式 求得距離?？諝庵新曀?C 與溫度 T 的關(guān)系在常溫下可由下面近似公式表 示 : TC ?? (1)壓縮發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個(gè)脈沖，可使余震 (拖尾 )減少，此法常用于距離測(cè)量距離。 (2)采用自動(dòng)距離增益控制 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 12 采用具有自動(dòng)增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時(shí)增益較大，這樣一方面發(fā)射信號(hào)的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間縮短，可以分出近處的接受回波信號(hào)，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信 號(hào)的幅增大，以提高測(cè)量的精度。 (3)信噪比問(wèn)題 超聲波測(cè)距儀都有確定的量程。量程主要決定于接收信號(hào)的幅值應(yīng)大于規(guī)定闡值。這個(gè)閉值決定信噪比。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀一樣，另一類為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對(duì)液介式超聲測(cè)距儀，工作率較高，可以避開工業(yè)噪聲頻譜段。而氣介式超聲回波測(cè)距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。這時(shí)要求對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 超聲測(cè)距系統(tǒng)的主要參數(shù) . 傳感器的指向角 傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測(cè)距 的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，記為θ，它直接影響測(cè)量的分辨率。對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō)，它的大小與工作波長(zhǎng)元 λ，傳感器半徑 r有關(guān)。由 6 1 )2/s i n (**)/2( ???? r 選 f=40Khz 時(shí)， λ=C/f=。當(dāng) f選定后，指向角 θ近似與傳感器半徑成反比。指向角 θ愈小，分辨率愈高，則要求傳感器半徑愈大。鑒于目前電子市場(chǎng)的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，選用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑。 r=，由公式 θ 的大小為 75度。 )** rc s in(*2 r??? ? 測(cè)距儀的工作頻率 空氣中超聲波的衰減對(duì)頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在 40KHz 左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無(wú)法傳播開去的。傳感器的上作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。由于本測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)距儀工作頻率在 40KHz[5]。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 13 聲速 聲速的精確程度線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度，傳播介質(zhì)中聲速的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為 [17]： ??V 式中， T是溫度，將由溫度補(bǔ)償電路修正。 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。 測(cè)量盲區(qū) [18] 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，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。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)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下 : 圖 輸入電壓對(duì)超聲信號(hào)的影響關(guān)系圖 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 MV 。另一方面，接收 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 14 探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近的表面反射回來(lái)的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng)，其幅值也愈來(lái)愈小。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值 mV ，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閩值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。由圖 可見，從 b 點(diǎn) 以后，接收的信號(hào)低于閾值，相當(dāng)于測(cè)距的遠(yuǎn)限。另外，從圖中 A 點(diǎn)以后，接收信號(hào)才比發(fā)射信號(hào)大，但還將與發(fā)射信號(hào)相迭加，難以分辨從 c 點(diǎn)以后，發(fā)射信號(hào)低出閩值鱺，接收信號(hào)才基本擺脫發(fā)射信號(hào)干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時(shí)，把 oc這段時(shí)間規(guī)定為盲區(qū)時(shí)間。從距離上說(shuō)，根據(jù)盲區(qū)時(shí)間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此， cb為可測(cè)距范圍 。b 點(diǎn)就為測(cè)距遠(yuǎn)限，其外部就為測(cè)量不到的區(qū)域。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 15 第三章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 概述 本章以及下一章將詳細(xì)介紹本次設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)。下面兩圖是這次設(shè)計(jì)的整體硬件結(jié)構(gòu)圖和整體 電路圖。 圖 硬件結(jié)構(gòu)圖 圖 整體電路圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 16 整體電路的控制核心為單片機(jī) AT89S52。另外還有溫度測(cè)量電路測(cè)量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路 ,超聲波接收電路 ,單片機(jī)電路 ,顯示電路，語(yǔ)音播報(bào)電路和溫度補(bǔ)償電路等幾部分模塊組成。 單片機(jī)控制發(fā)射模塊發(fā)出 40kHZ 的超聲波信號(hào)并開始記時(shí)，通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出超聲波信號(hào)；超聲波接收器將接收到的超聲波返回信號(hào)送至接收模塊，經(jīng)處理后，送至中斷信號(hào)至單片機(jī)，單片 機(jī)啟動(dòng)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算和修正，得出距離數(shù)并送 LCD 顯示。顯示內(nèi)容包含當(dāng)前溫度值和所測(cè)距離。如下圖所示： 圖 顯示示意圖 :其中溫度單位為“攝氏度”，距離單位為“米” 各功能模塊介紹設(shè)計(jì) 單片機(jī)處理單元 [19] AT89S52 簡(jiǎn)介： 圖 AT89S52 實(shí)物圖 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微