【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 學(xué)習(xí)好幫手圖 24 標(biāo)桿校正的示意圖超聲波測(cè)距裝置首先測(cè)量距離已知為 h 的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的時(shí)間，而后由測(cè)得的時(shí)間和距離 h 根據(jù)公式(23) 求出當(dāng)?shù)芈曀佟Ｍㄟ^(guò)這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測(cè)量溫度所帶來(lái)的麻煩。因此，只用為測(cè)距設(shè)備設(shè)定“標(biāo)定”和“測(cè)量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實(shí)現(xiàn)的高精度測(cè)距功能。 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，這時(shí)需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬帶，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： 當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短的時(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)的時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具有一定的幅值高度，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)幅值需達(dá)到規(guī)定的閥值 Vm，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號(hào)放大器有輸入信號(hào)。 超聲波傳感器超聲波由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往北比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在測(cè)控系統(tǒng)的研. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手制上得到了廣泛應(yīng)用。超聲傳感器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 靜電傳感器。流體動(dòng)力性中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。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作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛” 。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭有壓電晶片、契塊、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，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。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。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)壓電晶片受發(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 f0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)。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振類工作的，超聲波發(fā)生. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 25 所示，它有兩個(gè)壓電晶片的一個(gè)共振板，當(dāng)它的兩級(jí)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)共振板的振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩級(jí)間為外加電壓，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)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波傳感器。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。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。超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。圖 25 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以課題中選用的傳感器 SZWS4012M 發(fā)射型超聲波傳感器的特性為例加以說(shuō)明。（1） 頻率特性壓電晶片電極 共振板. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手圖 26 超聲波傳感器的升壓能級(jí)和靈敏度圖 26 是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級(jí)和靈敏度。其中，40KHz 處為超聲波發(fā)射傳感器的中心頻率，在 40KHz 處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說(shuō)在 40KHz 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在 40KHz 兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。其頻率特性如圖 27 所示。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 40KHz 的交流電壓來(lái)激勵(lì)。圖 27 超聲發(fā)射傳感器頻率特性另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在40KHz 處曲線最尖銳，輸出電信號(hào)的振幅最大，即在 40KHz 處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R 也有很大關(guān)系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而且有較寬的帶寬，同時(shí)靈敏度以隨之降低。并且最大靈敏的向稍低的頻率移動(dòng)。. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗的前置放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度?？紤]到實(shí)際工程測(cè)量的要求，可以選用超聲波頻率 f = 40KHz，波長(zhǎng)λ = 。（2） 指向特性實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩器，輻射出一個(gè)半球而波（子波） ，這些子波沒(méi)有指向性。但離開(kāi)超聲傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射） ，卻有指向性。超聲傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是 0 度時(shí)電壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為 40 度到 80 度，本設(shè)計(jì)要求傳感器的指向角為 75 度。第 3章 硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、溫度補(bǔ)償電路、聲報(bào)警電路、鍵盤控制電路、單片機(jī)硬件接口電路及顯示報(bào)警電路組成，該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的 AT89C51 單片機(jī)，下面分步介紹各硬件部分的具體設(shè)計(jì)分析。 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射電路兩個(gè)部分，探頭（又稱“超聲波換能器” ）選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生 40KHz 的超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流 100mA 以上的驅(qū)動(dòng)電路。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路，但缺點(diǎn)是靈活性低。本設(shè)計(jì)采用第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號(hào)。40KHz 的超聲波是利用 LC 震蕩電路振蕩產(chǎn)生的，其振蕩頻率計(jì)算公式如下：. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用 AT89S51 的 口發(fā)射 40 kHz 的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò) 74HC04 放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。 74LS04 是一個(gè)高速CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，而相對(duì)于LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。對(duì)于 HC 類型，其工作電壓為 2～6 V，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入 LSTTL 邏輯信號(hào)和 CMOS 邏輯輸入等特點(diǎn)。本系統(tǒng)將 40 KHz 方波信號(hào)分成兩路，分別由 74LS04 經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構(gòu)成推拉式反向放大。電路圖如圖 31 所示。發(fā)射電路主要由反向器74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出 40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻 RR9 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)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(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。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)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)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換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。U4A74ALS04 U4B74ALS04U4C74ALS04U4D74ALS04U4E74ALS04LS1TX(F)R81KR91KVCCP10圖 31 超聲波發(fā)射電路 超聲波檢測(cè)接收電路 集成電路 CX20226A. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手集成電路 CX20226A 是一款紅外接收的專用芯片，常用于電視紅外遙控器。常用的載波頻率 38khz 與測(cè)距的 40khz 較為相近，可以利用它來(lái)做接收電路。適當(dāng)?shù)母淖?C3 的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。CX20226A(國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品型號(hào)為 D20226A)是日本索尼公司生產(chǎn)的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路。它還可廣泛用于視頻系統(tǒng)、家用電器遙控電路以及通信系統(tǒng)等。這種 IC 性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號(hào)接收器 IC 相同或相似，故可用來(lái)代換多種型號(hào)的遙控信號(hào)接收集成電路。CX20226A 可用來(lái)完成遙控信號(hào)，CX20226A 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外解調(diào)集成電路，采用 8 腳單列直插式塑料超小型封裝，+5v 供電，內(nèi)部含可前置放大、自動(dòng)偏置、限幅放大、通帶攄波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出等電路。其主要功能是從 38KHz 紅外載波信號(hào)中，將編碼信號(hào)解調(diào)出來(lái)，并加以放大和整形，然后再送到微處理器(CPU)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)遙控操作功能，其具體引腳圖如圖 32 所示。 圖 32 集成電路 CX20226A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CX20226A 的引腳注釋：（1） l 腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。（2） 2 腳：該腳與 GND 之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R 或減小 C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但 C 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為 R=，C= μF。（3） 3 腳：該腳與 GND 之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 。. . . .. .