【文章內(nèi)容簡介】 頻率范圍為100Hz～8kHz。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(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。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。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖31所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在圖a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。圖31 壓電逆效應(yīng)超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板(振動板)接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子。發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。采用雙晶振子的超聲波傳感器,若在發(fā)送器的雙晶振子(諧振頻率為40kHz)上施加40kHz的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就能發(fā)送40kHz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為正極，另一面為負(fù)極的電壓。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。 超聲波傳感器的特性 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SZWS4012M 發(fā)射型超聲波傳感器為例進(jìn)行說明。A頻率特性圖32 超聲波傳感器頻率特性圖32是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中，＝40KHz為超聲波發(fā)射傳感器的中心頻率，在處，超聲波發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說在處所產(chǎn)生的超聲波聲壓能級最高。而在 兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率的交流電壓來激勵。另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在處曲線最尖銳，輸出電信號的幅度最大，即在處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲波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具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲波接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。B指向特性實(shí)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(diǎn)看成一個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器得空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。圖 33 是電路中選用的超聲波發(fā)射傳感器的指向圖。圖33 超聲波發(fā)射傳感器指向圖超聲波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 0176。時(shí)聲壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲波傳感器的指向角一般為 40 ~80176。，課題中超聲波發(fā)射傳感器的指向角為 75176。 超聲波傳感器的檢測方式當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時(shí)，檢測超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。這種方式的檢測距離約1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測物體使用100mm100mm的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測物體時(shí)，僅檢測電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無物體通過。若被檢測物體的檢測面為平面時(shí)，則可檢測透明體。若被檢測物體相對傳感器的檢測面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測到被測物體。若被檢測物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測到被測物體。在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物體通過。另外，檢測范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍?；貧w反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門信號控制被測物體反射的超聲波的檢測時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成，如圖34所示。發(fā)送器常使用直徑為15mm左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量并向空中輻射。除穿透式超聲波傳感器外，用作發(fā)送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測。圖34 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成控制部分判斷接收器的接收信號的大小或有無，作為超聲波傳感器的控制輸出。對于限定范圍式超聲波傳感器，通過控制距離調(diào)整回路的門信號，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號的時(shí)間或?qū)挾?，可以自由改變檢測物體的范圍。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為12~24V177。10%，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。超聲波傳感器系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路?？捎卸喾N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(shí)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[3]。 超聲波傳感器系統(tǒng)主要參數(shù)的確定 測距儀的工作頻率傳感器的工作頻率是測距系統(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。工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮：（1） 如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質(zhì)對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。（2） 工作頻率越高，對相同尺寸的還能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。（3） 從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜上所述，由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。 聲速聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度。傳播介質(zhì)中聲波的傳播速度隨溫度、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 V=＋(m/s)式中，T 是溫度。由于該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為 340 m/s。 發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時(shí)與信號的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 24μs (1 個 40KHz 脈沖方波)，48μs( 2個 40KHz 脈沖方波)，240μs (10 個 40KHz 脈沖方波)，作為發(fā)射信號后的接收信號，最終選用 48μs (2個 40KHz 脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度。此時(shí)，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個方面來衡量比較適中。 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(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(jià)會使結(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)射信號雖然只維持一個極短時(shí)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，在一段較長時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，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(shí)間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值 Vm ，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。由圖 35從 b 點(diǎn)以后，接收的信號低于閾值，相當(dāng)于測距的遠(yuǎn)限。另外，從圖中A 點(diǎn)以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨。從 c 點(diǎn)以后，發(fā)射信號低出閾值 Vm ，接收信號才基本擺脫發(fā)射信號干擾，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，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 為可測距范圍；b 點(diǎn)就為測距遠(yuǎn)限，其外部就為測量不到的區(qū)域。圖35 傳感器回波檢測原理分析4 超聲波測距硬件電路設(shè)計(jì) 超聲波測距系統(tǒng)電路總體設(shè)計(jì)方案由單片機(jī)AT89C51編程產(chǎn)生10US以上的高電平，（Echo引腳）等待高電平輸出。一旦有高電平出處，即在模塊中經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理，讀取單片機(jī)中定時(shí)器的值。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離，并由單片機(jī)控制顯示出來。該測距裝置是由超聲波模塊、單片機(jī)、和LED顯示電路組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路組成超聲波測距模塊，模塊的輸出輸入端與單片機(jī)相連接，單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖41所示。圖41 時(shí)序圖超聲波測距模塊的發(fā)射端在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。 超聲波測距系統(tǒng)電路各部分模塊的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路由模塊中產(chǎn)生的40kHz的方波需要進(jìn)行放大，才能驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)動電路其實(shí)就是一個信號放大電路，本模塊所選用的是74HC04集成芯片，圖42為發(fā)射電路圖。圖42 發(fā)射電路 超聲波接收電路超聲波接收頭接收到超聲波后，轉(zhuǎn)換為電信號，此時(shí)的信號比較弱，必需經(jīng)過放大。本系統(tǒng)采用了LM741對接收到的信號進(jìn)行放大，接收電路如圖44所示。圖44 接收電路超聲波探頭接收到超聲波后，通過聲電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一正弦信號，其頻率為傳感器的中心頻率，即40kHz。該信號通過C4高通濾波后經(jīng)LM741放大，最后經(jīng)二極管整形后輸出到單片機(jī)中斷口。LM741是一單運(yùn)放集成芯片，圖45為LM741管腳圖和調(diào)零電路。圖45 LM741管腳圖和調(diào)零電路單運(yùn)放LM741芯片引腳功能描述：1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源，8空腳LM741可通過外接電位器進(jìn)行調(diào)零，如上圖(b)所示。使用方法簡單，一個控制口發(fā)一個10us以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測距的時(shí)間，方可算出距離。如此不斷的周期測，就可以達(dá)到移動測量的值了。 溫度補(bǔ)償電路穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，而超聲波在空氣中傳播時(shí)，其速度受到了溫度，濕度，粉塵，大氣壓，氣流等因素的影響，其中溫度影響最大，而超聲波在空氣中的速度與溫度的關(guān)系的表達(dá)式為c=，由泰勒公式將其展開，可得到近似計(jì)算公式c=+。式中T是環(huán)境攝氏溫度，所以溫度每變化1攝氏度，可見溫度對聲速的影響很大，測量時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器作為誤差補(bǔ)償裝置。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，測溫范圍為55～125攝氏度。DS18B20是美國DALLS公司推出的DS1820的替代產(chǎn)品，具有112位的轉(zhuǎn)換精度，未編程時(shí)默認(rèn)的精度是12位，176。C，176。C，溫度輸出以16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制數(shù)形式提供，低位在先，176。C/LSB形式表