【文章內(nèi)容簡介】 少，價格A壓電晶片B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兒交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，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。 圖 23 雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖 23 所示，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。圖 24 雙壓電晶片的等效電路圖雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， 為靜電電容， R 為陶瓷材料介電損耗,并OC聯(lián)電阻 Cm 和 Lm 為機械共振回路的電容和電感， 為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有m一個固定的諧振頻率，即中心頻率 ?o。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。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波。接收超聲波時，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。A壓電晶片B 超聲波傳感器選擇超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭(接收縱波)、斜探頭(接收橫波)、表面波探頭( 接收表面波) 、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多。頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。本文中選用的探頭是 4OKHz 的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器 UCMT40KI 和一支接收傳感器 UCMR4OKI 組成，其特性參數(shù)如表 25 所示。表 25 傳感器特性參數(shù)表型號 UCMT40K1 UCMR40KQ結(jié)構(gòu) 開放式 開放式使用方式 發(fā)射 接收中心頻率 ZKH140?ZKH138?頻帶寬 靈敏度 ubardBVubardBV6?聲壓 )(1Pa? )1min(7r?指向角 o75o80容量 pF%20?pF%25? 超聲波測距的原理超聲波測距方法主要有三種：1）相位檢測法：精度高，但檢測范圍有限；2）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響；3）渡越時間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計上都容易實現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間 t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離 l。設(shè) l 為測量距離，t為往返時間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計將采用渡越時間法。圖 26 測距原理由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加 米／秒。表 27 列出了幾種溫度下的聲速：表 27 聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度） －30 －20 －10 0 10 20 30 100聲速（米／秒） 313 319 325 323 338 344 349 386在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速 c 是基本不變的，計算時取 c 為340m/s。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進算法的方法來加以校正。在本系統(tǒng)中利用 AT89S52 中的定時器測量超聲波傳播時間，利用 DS18B20 測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可表示為： )/(???? (23)聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離：L=1/2(+)t。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進行溫度補償）如果為了進一步提高測量精度，本設(shè)計中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補償?shù)脑O(shè)計： 。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進行角度補償）22slh?? 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，同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實際的經(jīng)驗，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)計中，比較了 25181。s(l 個 40KHz 方波脈沖)， 100181。s(4 個 40KHz 方波脈沖 )，200181。s(8 個 40KHz 方波脈沖)， 800181。s(32 個 40KHz 方波脈沖) 的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號后的接收信號。最終采用短距離(2m 內(nèi))發(fā)射 200181。s(8 個 40KHz 方波脈沖 )發(fā)射脈沖寬度。長距離(2m 外)發(fā)射 800181。s(32 個 40KHz 脈沖方波) 的發(fā)射脈沖寬度，同時單片機編程避開盲區(qū)。此時，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，并且接收準確響應(yīng)速度快。 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: 圖 28 傳感器回波測距原理分析圖如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振(由于機械慣性作用)。因此，在一段較長時間內(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，也達不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠，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 28 可見，從 b 點以后，接收的信號低于閩值，相當(dāng)于測距的遠限。另外，從圖中 A點以后，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，把 oc 這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此，cb 為可測距范圍。b 點就為測距遠限，其外部就為測量不到的區(qū)域。 本章小結(jié)本章首先介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減。通過詳細分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計中所用超聲傳感器的特性參數(shù)。分析了超聲波測距的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出了測距的幾種常用方法以及傳感器指向角、工作頻率、環(huán)境溫度、發(fā)射脈沖寬度和測量盲區(qū)對超聲測距精度的影響。第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路和溫度補償電路四部分組成。隨著超聲波測量技術(shù)的不斷提高，用超聲波測量任何目標(biāo)物體，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問題。不論超聲波傳感器的大小、形狀、靈敏度有何不同，其工作原理都有是一樣的（都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機械振動彈性能，即在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波） ，要提高超聲測量的精度或分辨力，必須從超聲波的發(fā)射和接收兩方面入手，這也是設(shè)計超聲測量儀器的關(guān)鍵和難點所在。發(fā)射電路采用單片機 端口編程輸出 40KHz 左右的方波脈沖信號，同時開啟內(nèi)部計數(shù)器 T0。由于單片機端口輸出功率很弱，在此電路上加功率放大電路使測量距離滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器 UCM40T1 發(fā)射超聲波距離足夠遠。由于從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來的超聲波回波很微弱（幾十個 mV 級） ，又存在著較強的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是放大電路必須考慮。這里使用 CX 20226A集成電路對接收探頭接受到的信號進行放大、濾波，信號經(jīng)過 端口送入單片機中進行處理。為節(jié)省硬件考慮，顯示電路采用動態(tài)掃描顯示。通過單片機編程將內(nèi)部計數(shù)得到的時間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過三位 LED 數(shù)碼管顯示。 發(fā)射電路設(shè)計超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 TCT40－16T 能向外界發(fā)出 40 kHz 左右的方波脈沖信號。40 kHz 左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555 振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機 端口輸出 40 kHz 左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40 kHz 方波脈沖信號分成兩路，送給一個由 74HC04 組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器 TCT40－16T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖 31 所示。圖中輸出端上拉電阻 R31，R32，一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。 發(fā)射電路設(shè)計方案一、發(fā)射電路輸出波形分析為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計應(yīng)保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復(fù)性。此外，所發(fā)射的超聲波應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的各個振動應(yīng)近似為同一頻率的振動，以便接收時可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個振動波峰。為避免超聲波在障礙物表面反射時造成的各種損失和干擾。由于超聲波是換能器壓電晶片振動時推動附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動規(guī)律相同。發(fā)射電路設(shè)計的是否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性。通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為:單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。此方法測試距離太近。本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動識別被測距離遠近，設(shè)置發(fā)射脈沖個數(shù)。傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失。另外考慮實際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為 20Vpp，以及單片機正常工作輸出最大電壓 5V，傳感器發(fā)射信號的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠近，所以考慮電壓的同時應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。 發(fā)射電路常用方案由上面的分析，我們知道發(fā)射電路設(shè)計的主要目的是抬高輸入到發(fā)射探頭的電壓及圖 31 超聲波發(fā)射電路框圖其功率。本系統(tǒng)用單片機 發(fā)射一組方波脈沖信號，其輸出波形穩(wěn)定可靠，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強度的超聲信號，所以在此間加入一個單電源乙類互補對稱功率放大電路，如圖 32 所示。Q2Q1VCCVCCC1R1LS1RF圖 32 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射器的注意事項超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，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約為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。存在 4 個因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測距誤差主要來源于以下幾個方面：（1）超聲波波束對探測目標(biāo)的入射角 的影響；?（2）超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關(guān)系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)；（3）超聲波傳播速度對測距的影響。穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對聲速加以修正。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進行距離的計算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為 2 ，當(dāng) 很小的時候，可直接按式 進行距離的計?2SCt?V算；當(dāng)夾角很大的時候，必須進行距離的修正，修正的公式為： (3