【文章內(nèi)容簡介】 。1976 年，國家建委科技公司主持召開全國建筑工程檢測技術(shù)交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術(shù)列為重點攻關(guān)項目，組織全國 6 個單位協(xié)作攻關(guān)。從此，無損檢測技術(shù)開始進入有計劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術(shù)的推廣普及。如羅馬尼亞N2701 型超聲波測試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量 1OKg。七十年代，英國 公司推出僅有 重的 PUNDIT 便攜式超聲儀。1978 年 10 月，中國建筑科學(xué)院研制出 JC2 型便攜式超聲波檢測儀。該儀器采用 TTL 線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為 5Kg。同期研制出的超聲檢測儀器還有 SC2 型，CTS25 型，SYC2 型超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣應(yīng)用無損檢測技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著檢測技術(shù)研究的不斷深入，對超聲檢測儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測儀測讀會帶來較大的測試誤差,進一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單片機的微處理功能。隨后具有檢測，記錄，存儲，數(shù)據(jù)處理與分析等多項功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的 2022A 型超聲分析檢測儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測量儀器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡單，可靠性高，具有斷電存儲功能，其串口可以方便用戶對儀器的測試數(shù)據(jù)進行后處理及有關(guān)程序的開發(fā)。與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計上有重大突破和創(chuàng)新，達到了國際先進水平。目前，計算機市場價格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測儀器，計算機可以發(fā)揮它一機多用的各種功能，實際上是最大的節(jié)約。過去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨的超聲儀，計算機可以充分發(fā)揮各自特點。高智能化檢測儀器只能滿足檢測條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測試內(nèi)容等基本情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器設(shè)計也應(yīng)從實際情況出發(fā)，才能滿足用戶的要求。綜上所述，我國超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號己超過國外同類儀器水平。2 超聲波測距儀的總體構(gòu)想 超聲波測距的原理單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 t，然后求出距離 S＝Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計方法。溫度/℃ 20 10 0 10 20 30 100波速/m/s 319 325 323 338 344 349 386表 21 溫度與波速的關(guān)系表由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)。所以列出了幾種不同溫度下的波速,請看表 21 所示。在測距時由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度確定計算距離時的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測量精確度。波速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。單片機(Atmega8l)發(fā)出短暫的40kHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機中斷程序，得出時間，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié)果被送至LED顯示電路進行顯示。 常見的測距法目前最常用的測距法有兩種:（1） 超聲波測距法:超聲波是頻率20kHz以上的機械振動波，利用發(fā)射脈沖和接收脈沖的時間間隔推算出距離。超聲波測距法的缺點是波束較寬，其分辨力受到嚴(yán)重的限制，因此，主要用于導(dǎo)航和回避障礙物。（2） 激光測距法:激光測距法也可以利用回波法，或者利用激光測距儀，其工作原理如下:氦氖激光器固定在基線上，在基線的一端由反射鏡將激光點射向被測物體，反射鏡固定在電動機軸上，電動機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使激光點穩(wěn)定地對被測目標(biāo)掃描。由CCD(電荷耦合器件)攝像機接受反射光，采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像，并根據(jù)位置坐標(biāo)及攝像機光學(xué)特點計算出激光反射角。利用三角測距原理即可算出反射點的位置。我們選用超聲波測距法，這樣會使成本降低。 超聲波傳感器 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu)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。流體動力型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。探頭由壓電晶片、楔塊、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)換的一種傳感器件，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)生機械變形，這種機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 的交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振0f動，這種機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械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。雙壓電晶片由A、B兩部分構(gòu)成。當(dāng)在 AB 間施加交流電壓時，若 A 片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。雙壓電晶片的等效電路如圖 21 所示， 為靜電電容，R 為陶瓷材料介電損耗，0C并聯(lián)電阻 Cm 和 Lm 為機械共振回路的電容和電感，Rm 為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 。發(fā)射超聲波時，加在其0f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。圖 21 雙壓電晶片等效電路超聲波傳感器的內(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)也是起保護作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。 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行說明。A 頻率特性圖 22 超聲波傳感器頻率特性圖 22 是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中， ＝40KHz 為超聲發(fā)射傳0f感器的中心頻率，在 處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機械波最強，也就是說在0f處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在 兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲0f 0f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發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在 處曲線最尖銳，輸出0f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0f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具有較寬得帶寬，同時靈敏度也隨之降低。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