基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)
2024-07-24 19:52 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：1)工作頻率 工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。2)工作溫度 由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。3)靈敏度 主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高。人類能聽到的聲音頻率范圍為：20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。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。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來進行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。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，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。共振板電極壓電晶片 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)市面上常見的超聲波傳感器多為開放型，一個復(fù)合式振動器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動器是由諧振器以及一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，當(dāng)振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。超聲波的基本特性如下所述：1)波長 波的傳播速度是用頻率乘以波長來表示。電磁波的傳播速度是3108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s (20℃時)。在這種比較低的傳播速度下，波長很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進行測量時獲得很高的精確度。2)反射 要探測某個物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎100％的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測到它們。同時，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測到凹凸表面以及斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測試環(huán)境是在空曠的場所，并且測試物體必須反射超聲波。3)溫度效應(yīng) 聲波傳播的速度“c”可以用下列公式表示。C = +(m/s)式中，t =溫度(℃)也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。因此，要精確的測量與某個物體之間的距離時，始終檢查周圍溫度是十分必要的，尤其冬季室內(nèi)外溫差較大，對超聲波測距的精度影響很大，此時可用18B20作溫度補償來減小溫度變化所帶來的測量誤差，考慮到本設(shè)計的測試環(huán)境是在室內(nèi)，而且超聲波主要是用于測距功能，對測量精度要求不高，所以關(guān)于溫度效應(yīng)對系統(tǒng)的影響問題在這里不做深入的探討。 聲壓在不同距離下的衰減特性4)衰減 傳播到空氣中的超聲波強度隨距離的變化成比例地減弱，這是因為衍射現(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴散損失，也是因為介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。5）聲壓特性 聲壓級SPL是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。SPL=20logP/Pre(dB)式中,“P”為有效聲壓(μbar)，“Pre”為參考聲壓(2104μbar)。 超聲波傳感器的聲圖6）靈敏度特性 靈敏度是表示聲音接收級的單位，使用下列公式予以表示靈敏度= 20logE/P(dB)式中,“E”為所產(chǎn)生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(μbar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統(tǒng)測距范圍，從圖中可以發(fā)現(xiàn)40KHz時傳感器的聲壓級最高，也就是說40kHz時所對應(yīng)的靈敏度最高。7）輻射特性 把超聲波傳感器安裝在臺面上。然后，測量角度與聲壓(靈敏度)之間的關(guān)系。為了準(zhǔn)確地表達(dá)輻射，與前部相對比，聲壓 (靈敏度) 級衰減6dB的角度被稱為半衰減角度，用θ1/2表示。超聲波設(shè)備的外表面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。 超聲波傳感器靈敏度示意圖分析以上研究結(jié)果不難看出超聲波傳感器工作在40KHz范圍內(nèi)具有最大的聲壓級和最高的靈敏度。 超聲波傳感器輻射特性示意圖頻率40kHz輸入電壓10Vrms(正弦波)距離30cm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=340 t /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=340 t /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(rèn)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(yīng)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。障礙物超聲波發(fā)射超聲波接收SHθ 超聲波的測距原理 （） （）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 ()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（）、（）代入（）中得
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