【文章內(nèi)容簡介】 學(xué)習(xí)好幫手圖 24 標(biāo)桿校正的示意圖超聲波測距裝置首先測量距離已知為 h 的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的時間，而后由測得的時間和距離 h 根據(jù)公式(23) 求出當(dāng)?shù)芈曀?。通過這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測量溫度所帶來的麻煩。因此，只用為測距設(shè)備設(shè)定“標(biāo)定”和“測量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實現(xiàn)的高精度測距功能。 測量盲區(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)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進(jìn)入接收部分。此時，在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進(jìn)行定量評價會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這時需要注意的。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題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(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，發(fā)射信號雖然只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振（由于機(jī)械慣性作用） 。因此，在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號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卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平，當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閥值 Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號放大器有輸入信號。 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，而經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如液位、井深、管道長度等場合。利用超聲波檢測往北比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在測控系統(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，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器，是超聲波檢測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之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。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)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，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，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，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，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(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，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣等媒介，便會發(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。壓電式超聲波發(fā)生器實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，它有兩個壓電晶片的一個共振板，當(dāng)它的兩級外加脈沖信號，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，并帶動共振板的振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩級間為外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。發(fā)射超聲波時，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，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和靈敏度圖 26 是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和靈敏度。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)，也就是說在 40KHz 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在 40KHz 兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。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 的交流電壓來激勵。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，同時靈敏度以隨之降低。并且最大靈敏的向稍低的頻率移動。. . . .. . 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]到實際工程測量的要求，可以選用超聲波頻率 f = 40KHz，波長λ = 。（2） 指向特性實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩器，輻射出一個半球而波（子波） ，這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點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主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是 0 度時電壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為 40 度到 80 度，本設(shè)計要求傳感器的指向角為 75 度。第 3章 硬件設(shè)計該系統(tǒng)設(shè)計有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、溫度補(bǔ)償電路、聲報警電路、鍵盤控制電路、單片機(jī)硬件接口電路及顯示報警電路組成，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，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動電流 100mA 以上的驅(qū)動電路。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，并直接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點是無需驅(qū)動電路，但缺點是靈活性低。本設(shè)計采用第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號。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，經(jīng)過 74HC04 放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。 74LS04 是一個高速CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時間，而相對于LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。對于 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 邏輯信號和 CMOS 邏輯輸入等特點。本系統(tǒng)將 40 KHz 方波信號分成兩路，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(qiáng)度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力，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。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)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)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，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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 與測距的 40khz 較為相近，可以利用它來做接收電路。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(國內(nèi)同類產(chǎn)品型號為 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接收器 IC 相同或相似，故可用來代換多種型號的遙控信號接收集成電路。CX20226A 可用來完成遙控信號，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 紅外載波信號中，將編碼信號解調(diào)出來，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 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，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大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為 。. . . .. .