【文章內容簡介】 感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要包括壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、靜電傳感器。流體動力型包括有氣體和液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應用目的不同，超聲波傳感器的結構形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲波傳感器稱為探頭，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波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電能和聲能相互轉換的一種傳感器件，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，它就產生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產生了應變就會在其內部產生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產生交變的應變，從而產生超聲振動。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。當壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，是正壓電效應。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中。在壓電陶瓷上加上有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內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，它就會產生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會產生超聲波。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生頻率與超聲機械波相同的電信號。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的逆向壓電效應來工作的。，它有兩個壓電晶片和一個錐形振子，當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，并帶動錐形振子振動，便產生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當錐形振子接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。 壓電式傳感器原理圖Fig. Schematic of piezoelectric sensors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。利用這一特性可制作成各種頻率的超聲波傳感器。一般常用的超聲波傳感器有兩種：專用型和兼用型。專用型是發(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)送器和接收器是一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，又可以接收超聲波。本設計選用的超聲波傳感器是專用型，其型號為TCT4016T和TCT4016R，其中40表示傳感器工作的中心頻率為40KHz,16表示傳感器的外徑為16mm，T和R分別表示發(fā)射器和接收器。 超聲波測距的原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計時。假設超聲波在空氣中的傳播速度為，根據計時器記錄的時間，發(fā)射點距障礙物的距離， Fig. Ultrasonic ranging principle，兩探頭中心距離的一半用M表示，超聲波單程所走過的距離用表示，由圖可得： (1) (2)將式(2)帶入式(1)得： (3)在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為： (4)式中：為超聲波的傳播速度，為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。將式(4)帶入式(3)可得： (5)當被測距離H遠遠大于M時，式(5)變?yōu)椋? (6)這就是所謂的時間差測距法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離[2]。由于是利用超聲波測距，要測量預期的距離，所以產生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達到預定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。經分析和大量實驗表明，頻率為40左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調制成具有一定間隔的調制脈沖波信號。3 系統硬件設計 按照系統設計的功能的要求，初步確定設計系統由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成。單片機主控芯片使用51系列AT89S51單片機，該單片機工作性能穩(wěn)定，同時也是在單片機課程設計中經常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅動超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調試工作小較小。 系統整體框圖Fig. Overall block diagram of the system硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路、報警輸出電路、供電電路等幾部分。單片機采用AT89S51，系統晶振采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數碼管，段碼輸出端口為單片機的P2口，、,數碼管位驅運用PNP三極管S9012三極管驅動。 AT89S51單片機AT89S51是美國ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可系統編程的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低價位AT89S51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。主要性能參數：與MCS51產品指令系統完全兼容4k字節(jié)在系統編程（ISP）Flash閃速存儲器1000次擦寫周期－全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz三級程序加密鎖1288字節(jié)內部RAM32個可編程I／O口線2個16位定時／計數器6個中斷源全雙工串行UART通道低功耗空閑和掉電模式中斷可從空閑模喚醒系統看門狗（WDT）及雙數據指針掉電標識和快速編程特性靈活的在系統編程（ISP字節(jié)或頁寫模式）除此以外AT89S51還提供一個5 向量兩級中斷結構，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時／計數器，串行通信口及中斷系統繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。本系統由單片機AT89S51控制，包括單片機系統、發(fā)射電路與接收放大電路和顯示電路幾部分組成，如圖31 所示。硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機采用AT89S51。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數碼管，段碼輸出端口為單