【文章內(nèi)容簡介】 點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時就分別發(fā)生反射波來，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。超聲波測厚，是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知 ，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。 超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)，把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器， 畢業(yè)設計 第 7 頁 利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱 為超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進行檢查，在材料科學中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù)，其原理與光波的全息術(shù)基本相同，只是記錄手段不同而已。 (2) 在超聲處理方面的應用 利用超聲的機械效應、溫熱效應、理化效應，可進行超聲焊 接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應用。 超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。超聲波焊接主要分超聲波塑料焊接和超聲波金屬焊接，超聲波塑料焊接具有焊接速度快，焊接強度高、密封性好的優(yōu)點；而超聲波金屬焊接的優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、導電性好、無火花、接近冷態(tài)加工。針對所有的應用市場，超音波焊接其特有的優(yōu)點 —— 快捷、高效、清潔和牢固，贏 得了各行各業(yè)的認可，在汽車、家電、包裝、玩具業(yè)、電子等行業(yè)的應用也越來越廣泛。 超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的。目前所用的超聲波清洗機中，空化作用和直進流作用應用得更多。超聲波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清潔度高，不須人手接觸清洗液，安全可靠，對工件表面無損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場地和人工等諸多優(yōu)點。超聲波清洗方式超過一般的常規(guī)清洗方法，特別是工件的表面比較復雜像一些表面凹凸不平、有盲孔的機械零部件 ，一些特別小而對請潔度有較高要求的產(chǎn)品如：鐘表和精密機械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達到很理想的效果。 超聲波技術(shù)在醫(yī)療方面的獨特療效已得到醫(yī)學界的普遍認可，并越來越被臨床重視和采用。超聲波治療時將超聲波能量作用于人體病變部位，以達到治療疾患和促進機體康復的目的。超聲波的機械作用可軟化組織，增強滲透，提高代謝，促進血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細胞功能，因此具有超聲波獨特的治療意義。超聲溫熱效應可增加血液循 畢業(yè)設計 第 8 頁 環(huán)，加速代謝，改善局部組織營養(yǎng)，增強酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結(jié)締組織 為顯著，脂肪與血液為最少。超聲波治療以療效獨特，長期治療無毒副作用的安全特性見長，在肢體運動康復、心腦血管疾病治療方面有著獨特的優(yōu)勢，其體外無創(chuàng)的物理治療手段比較適合在社區(qū)、醫(yī)院運用。 (3) 在基礎(chǔ)研究方面的應用 超聲學是研究超聲的科學，它是聲學的一個重要分支。超聲學是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，超聲的各種效應，以及超聲在基礎(chǔ)研究和國民經(jīng)濟各部門的應用等內(nèi)容的聲學重要分支。機械運動是最簡單、也最普通的物質(zhì)運動，它和其他形式的物質(zhì)運動以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系非常密切。超聲振動本身就是一種機械運動 ，因此，超聲方法也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個重要途徑。 20 世紀 40 年代起，人們在研究媒質(zhì)中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關(guān)系時，就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了它們與各種分子弛豫過程（如分子的內(nèi)、外自由度之間能量轉(zhuǎn)換的熱弛豫，分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的結(jié)構(gòu)弛豫等過程）及微觀諧振過程（如鐵磁、順磁、核磁共振等）之間的關(guān)系，通過物質(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這些方面的研究構(gòu)成了分子聲學這一聲學分支。隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，已正在逐步接近點陣熱振動的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能──聲子來研究原子間的相互 作用、能量傳遞等問題是十分有意義的。通過對甚高頻超聲聲速和衰減的測定，可以了解聲波與點陣振動的相互關(guān)系及點陣振動各模式之間的耦合情況，還可以用來研究金屬和半導體中聲子與電子、聲子與超導結(jié)、聲子與光子的相互作用等。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程的三大重要手段。與之有關(guān)的一門新分支學科──量子聲學也正在形成。超聲學是一門應用性和邊緣性很強的學科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學、超 聲學材料科學、光學、固體物理等其他學科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時，超聲學的發(fā)展又為這些學科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超聲學仍是一門年輕的學科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲波應用的機理還未徹底了解，況且實踐還在不斷地向超聲學提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學是在不斷地向前發(fā)展著。 畢業(yè)設計 第 9 頁 超生波測距 方法 超聲波測距的方法主要有三種，為相位檢測法、幅值檢測法和渡越時間法。相位檢測法檢測精度高 ， 但是檢測距離有限，達不到本課題 設計的要求。由 于超 聲波在傳播過程中，由于空氣雜質(zhì)含量不同，衰減系數(shù)也不一樣，聲波幅值檢測法的檢測精度和穩(wěn)定性受到很大的限制， 所以此種方法不適合本 課題 的應用。 而 渡越時間法工作原理簡單，電路容易實現(xiàn)。但是由于氣體介質(zhì)對 超聲波存在反射和散射，使得超聲波在傳播過程中有很大的衰減， 超聲波的最大檢測距離因此受到一定程度的限制。另一方 便面超聲波的最大檢測距離與傳感器的發(fā)射功率和電路的放大倍數(shù)有關(guān)， 發(fā)射功率越大，電路的放大倍數(shù)越大，接收電路的靈敏度越好，檢測距離就越遠。因此可以通過提高放大倍數(shù)和采用發(fā)射功率較大的超聲波探頭來解決此問題。此外 超 聲波在空氣中的傳播速度與溫度有很大關(guān)系，因此需對其進行溫度補償， 而溫度補償在軟件 和硬件上也很容易實現(xiàn)。 綜上，本設計的測距方法采用渡越時間法。具體測距原理闡述如下。 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 340m/s，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： s=340t/2 最常用的超聲測距的方法是回聲探測法 ， 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波， 在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，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，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，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，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求 得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖 23所示： t 超聲波發(fā)射 障礙物 S 畢業(yè)設計 第 10 頁 H θ 超聲波接收 圖 1 ?cosSH? （ 21） )(HLarctg?? （ 22） 式中 :L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 (23) 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間。 將（ 2— 2）、（ 2— 3）代入（ 21）中得： ]c os [21 HLar ctgvtH ? (24) 其中 ,超聲波的傳播速度 v 在一定的溫度下是一個常數(shù) (例如在溫度 T=20 度時 ,V=344m/s)；當需要測 量的距離 H遠遠大于 L時 ,則 (2— 4)變?yōu)?: vtH 21? (25) 所以 ,只要需要測量出超聲波傳播的時間 t,就可以得出測量的距離 H。 系統(tǒng)整體設計框圖 本設計以 AT89C51 單片機為核心， 通過掃描按鍵的狀態(tài)，由 聲波 換能器 TCT4016TR1 畢業(yè)設計 第 11 頁 發(fā)出 40KHz的超聲波方波信號， 有定時器 T0 產(chǎn)生方波驅(qū)動信號，同時，啟動計數(shù)器 T1，用來計數(shù)，也就是測算方波發(fā)射到接收所需要的時間。 經(jīng)障礙物反射后由超聲波接收 換能器接收反射信號，經(jīng)放大電路放大后，由 來接收超聲波反射信號 ， 當接收到該信號后，關(guān)閉計數(shù)器 T1，記下此時的時間，轉(zhuǎn)入執(zhí)行計算距離子程序 ，由 子 程序計算距離，并啟動 LED 顯示其數(shù)值， 同時，當?shù)竭_危險距離時 發(fā)出滴答滴答的響聲。 整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示： 圖 2 系統(tǒng)框圖 硬件選型 超聲波探頭的中心頻率及主要參數(shù) 一、主要參數(shù) （ 1） 中心頻率 中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心 頻率時，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測距越 短，而分辨力越高。常見超聲波傳感器的中心頻率有 30KHz、 40KHz、 75KHz、 200KHz、 400KHz等。 本設計采用 40KHZ的探頭 TCT4016TR1 （ 2） 靈敏度 靈敏度的單位是分貝 (dB)，數(shù)值為負，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參數(shù)，指向角越小，方向性越強。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