【文章內容簡介】 地位極為重要，正在汽車技術領域發(fā)展成為一門獨立的分支學科，其性能的優(yōu)劣直接影響到汽車的動力性、經濟性、可靠性、安全性、排放干凈、及舒適性等。電子控制技術在汽車上，首先應用于發(fā)動機燃油消耗控制與排放進化與排放控制，接 著被應用于底盤部分的控制，以提高行駛的穩(wěn)定性、安全性、與舒適性等。隨著交通運輸向高密度發(fā)展，電子控制技術又進一步應用于汽車的乘坐安全性和導航等方面。 電子技術在汽車安全控制系統(tǒng)的應用主要是為了增強汽車的安全、舒適和方便。應用的電子技術主要有：電子控制安全氣囊，智能記錄儀，雷達式距離報警器，中央控制門鎖，自動空調，自動車窗、車門、座椅、刮水器，車燈控制，電源控制以及充電器等。近年來汽車的自動調速系統(tǒng)，主動式汽車防撞系統(tǒng)，汽車監(jiān)測和自診斷系統(tǒng)以及汽車導航系統(tǒng)也得到了廣泛的應用。 在過去 20～ 30 年中，人們主要把 精力集中于汽車的被動安全性方面，例如，在汽車的前部或后部安裝保險杠、在汽車外殼四周安裝某種彈性材料、在車內相關部位安裝各種形式的安全帶及安全氣囊等等，以減輕汽車碰撞帶來的危害。安裝防撞保險杠固然能在某種程度上減輕碰撞給本車造成損壞，卻無法消除對被撞物體的傷害；此外，車上安裝的安全氣囊系統(tǒng)，在發(fā)生車禍時不一定能有效地保護車內乘務員的安全。所有這些被動安全措施都不能從根本上解決汽車在行駛中發(fā)生碰撞造成的問題。如果從預防撞車事故的發(fā)生的角度著眼，在提高汽車主動安全性方面下功夫，則可在汽車安全性領域有較大的突破。 汽車發(fā)生碰撞的主要原因是由于汽車距其前方物體（如汽車、行人或其他障礙物）的距離與汽車本身的車速不相稱造成的，即距離近而相對速度又太高。為了防止汽車與前方物體發(fā)生碰撞，汽車的車速就要根據(jù)與前方物體的距離變化由執(zhí)行機構進行控制，使汽車始終在安全車速下行駛。這樣就會大大提高汽車行駛的安全性，減少車禍的發(fā)生。發(fā)展汽車防撞技術，對提高汽車智能化水平有重要意義。據(jù)統(tǒng)計，危險境況時，如果能給駕駛員半秒鐘的預處理時間，則可分別減少追尾事故的 30%，路面相關事故的 50%，迎面撞車事故的 60%； 1 秒鐘的預警時間可防止 90%的 追尾碰撞和 60%的迎頭碰撞。理論上，汽車防撞裝置可在任何天氣、任何車速狀態(tài)下探測出將要發(fā)生的危險情況并及時提醒司機及早采取措施安徽理工大學畢業(yè)設計 2 或自動緊急制動，避免嚴重事故發(fā)生。汽車防撞裝置是借助于遙測技術監(jiān)視汽車前方和后方的車輛、障礙物，并根據(jù)當時的車速自動判斷是否達到危險距離，及時向司機發(fā)出警告，必要時還可進行自動關車、自動緊急剎車。 汽車要避撞就必須憑借一定的裝備測量前方障礙物的距離，并迅速反饋給汽車，以在危急的情況下，通過報警或自動進行某項預設定操作如緊急制動等，來避免由于駕駛員疲勞、疏忽、錯誤判斷所造成的交通事故。 目前，大家都將防撞技術的關鍵點著眼于車輛測距技術。 測距傳感器的分類 超聲波測距傳感器原理 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè) 、國防、生物醫(yī)學等方面以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。 激光測距傳感器工作原理 激光傳感器工作時，先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。激光傳感器必須極其精確地測定傳 輸時間，因為光速太快。 紅外線測距傳感器工作原理 紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機器人主機，機器人即可利用紅外的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化 。 安徽理工大學畢業(yè)設計 3 超聲波 超聲波的簡介 我們知道，當物體振動時會發(fā)出聲音?？茖W家們 將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為 20～ 20K 赫茲。當聲波的振動頻率大于 20K 赫茲或小于 20 赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于 20K 赫茲的聲波稱為 “超聲波 ”。通常用于醫(yī)學診斷的超聲波頻率為 1～ 5 兆赫茲。超聲波具有方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠等特點?？捎糜跍y距，測速，清洗，焊接，碎石等。在醫(yī)學 ，軍事 ， 工業(yè) ， 農業(yè)上有很多的應用。 理論研究表明 ， 在振幅相同的條件下 ， 一個物體振動的能量與振動頻率成正比 ， 超聲波在介質中傳播時 ， 介質 質點振動的頻率很高 ， 因而能量很大 。 在我國北方干燥的冬季 ， 如果把超聲波通入水罐中 ， 劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴 ， 再用小風扇把霧滴吹入室內 ， 就可以增加室內空氣濕度 ， 這就是超聲波加濕器的原理 。 咽喉炎 ， 氣管炎等疾病 ， 呼喚斤年時斤百，很難血流到達患病的部位 。 利用加濕器的原理 ， 把藥液霧化 ,讓病人吸入 ， 能夠提高療效 。 利用超聲波巨大的能量還可以使人體內的結石做劇烈的受迫振動而破碎，從而減緩病痛，達到治愈的目的。 超聲波的產生 聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其平衡位 置附近進行的往返運動。譬如，鼓面經敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指振動頻率大于20kHz 以上的 ， 其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（ 20kHz） ，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在 2～ 5 兆 Hz 之間，常用為 3～ 兆 Hz（每秒振動 1 次為 1Hz， 1 兆 Hz=10^6Hz,即每秒振動 100 萬次，可聞波的頻率在 16－ 20kHz 之間）。 超聲波的特點 超聲波具有如下特性： （ 1）超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播； （ 2）超聲波可傳遞很強的能量， 方向性強，能量易于集中 ； 安徽理工大學畢業(yè)設計 4 （ 3） 超聲波會產生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象， 超聲與傳聲媒質的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質狀態(tài)的信息 ； （ 4）超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 超聲波的各種效應 ： 1．機械效應： 超聲在介質中前進時所產生的效應。（超聲在介質中傳播是由反射而產生的機械效應）它可引起機體若干反應。超聲振動可引起組織細胞內物質運動，由于超聲的細微按摩，使細胞漿流動、細胞震蕩、旋轉、摩擦、從而產生細胞按摩的作用，也稱為 “ 內按摩 ” 這是超聲波治療所獨有的特性，可以改變細胞膜的通透性，刺激細胞半透膜的彌散過程，促進新陳代謝、加速血液和淋巴循環(huán)、改善細胞缺血缺氧狀態(tài)，改善組織營養(yǎng)、改變蛋白合成率、提高再生機能等。使細胞內部結構發(fā)生變化，導致細胞的功能變化，使堅硬的結締組織延伸，松軟。 超聲波的機械作用可軟化組織，增 強滲透，提高代謝，促進血液循環(huán)，刺激神經系統(tǒng)和細胞功能，因此具有超聲波獨特的治療意義。 2．溫熱效應：人體組織對超聲能量有比較大的吸收本領，因此當超聲波在人體組織中傳播過程中，其能量不斷地被組織吸收而變成熱量，其結果是組織的自身溫度升高。產熱過程既是機械能在介質中轉變成熱能的能量轉換過程。即內生熱。超聲溫熱效應可增加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營養(yǎng)，增強酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結締組織為顯著，脂肪與血液為最少。 3．理化效應：超聲的機械效應和溫熱效應均可促發(fā)若干物理化學變化。實踐證 明一些理化效應往往是上述效應的繼發(fā)效應。 超聲波 的 應用 現(xiàn)在，人們利用超聲波來為飛機、輪船導航，尋找地下的寶藏。超聲波就像一位無聲的功臣，廣泛地應用于工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療和軍事等領域。超聲波具體應用有： 1. 超聲波焊接： 應用超聲波可以對熱塑性工件使用熔接、鉚焊、成形焊或點焊等多種方法進行焊接。超聲波焊接設備既可以獨立操作，也可以用于自動化生產環(huán)境。那些內置精密電子組件的塑料工件，如微型開關等，就適合使用超聲波對其進行焊接。同時，不止一種方法可能被用來對成品進行加工，如焊接軟盤和卡帶的內部使用鉚焊 方式，而對其外部的焊接則使用熔接法 （ 1）超聲波塑料焊接機原理： 當超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產生局部高溫。又由于塑料導熱性差，一時還安徽理工大學畢業(yè)設計 5 不能及時散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，達到焊接的目的，焊接強度能接近于原材料強度。超聲波塑料焊接的好壞取決于換 能器焊頭的振幅，所加壓力及焊接時間等三個因素，焊接時間和焊頭壓力是可以調節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個量相互作用有個適宜值，能量超過適宜值時，塑料的熔解量就大，焊接物易變形；若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能太大。這個最佳壓力是焊接部分的邊長與邊緣每 1mm 的最佳壓力之積。 （ 2） 超聲波金屬焊接的原理 ： 超聲波金屬焊接是 19 世紀 30 年代偶然發(fā)現(xiàn)的。當時在作電流點焊電極加超聲振動試驗時，發(fā)現(xiàn)不通電流也能焊接上，因而發(fā)展了超聲金屬冷焊技術。超聲波焊接雖然發(fā)現(xiàn)較早，但是到目前為止，其作用機理還不是很清楚 。它類似于摩擦焊，但有區(qū)別，超聲焊接時間很短，溫度低于再結晶；它與壓力焊也不相同，因為所加的靜壓力比壓力焊小的多。一般認為在超聲波焊接過程中的初始階段，切向振動出去金屬表面的氧化物，并是粗糙表面的突出部分產生反復的微焊和破壞的過程而使接觸面積增大，同時使焊區(qū)溫度升高，在焊件交界面產生塑性變形。這樣在接觸壓力的作用下，相互接近到原子引力能夠發(fā)生作用的距離時，即形成焊點。焊接時間過長，或超聲波振幅過大會使焊接強度下降，甚至破壞。 2． 超聲波制藥 ： 超聲波醫(yī)學方面的應用，不僅包括掃描探測領域，而且在制藥領域也有 非常重要的作用，具體包括： （ 1）注射用醫(yī)藥物質的分散 ： 將磷脂類與膽固醇混合用適當方法與藥物混合在水溶液中，經超聲分散，可以得到更小粒子（ 左右）供靜脈注射。 （ 2）草藥提取 ： 利用超聲分散破壞植物組織，加速溶劑穿透組織作用，提高中草藥有效成分提取率。如金雞納樹皮中全部生物堿用一般方法侵出需 5 小時以上，采用超聲分散只要半小時即可完成。 （ 3）制備混懸劑 ： 在超聲空化和強烈攪拌下，將一種固體藥物分散在含有表面活性劑的水溶液中，可以形成 1um 左右口服或靜脈注射混懸劑。 （如 “ 靜注喜樹堿混懸劑 ”，“ 肝臟造影劑 ” ， “ 硫酸鋇混懸劑 ” ） 。 （ 4）制備疫苗 ： 將細胞或病毒借助于超聲分散將其殺死以后，再用適當方法制成疫苗。 3. 超聲波清洗 ： 由于超聲波清洗速度快、質量好，又能大大降低環(huán)境污染，因此，超聲波清洗技術正在越來越多的工業(yè)部門中得到應用。 安徽理工大學畢業(yè)設計 6 （ 1） 超聲波在電子行業(yè)的應用 電子行業(yè)是超聲波清洗應用最早，最為普及的行業(yè)。 a． 電子零件的清洗：電子零件，如半導體管的殼座、 IC 的殼座、晶體的殼座、繼電器的殼座、電子管座等。 b． 電子元器件的基體清洗：電子元器件的基體是由半導體材料制成并封裝在金屬或塑 料殼座中形成的，在封裝前，不但對殼座必須清洗，而且也必須對基體進行清洗，如 IC 芯片、電阻、晶體、半導體、原膜電路等。 c． PCB 板的清洗：我國電子行業(yè)中，絕大多數(shù)企業(yè)都在使用 PCB， PCB 組件焊接采用的助焊劑分為水溶型、松香型和免清洗型三類，使用較多的為前兩種，多采用超聲波清洗（也有不少是采用酒精刷洗），免清洗型原則上應該不清洗，但是，目前世界各國的大多數(shù)廠家即使采用免清洗型焊劑焊接組件，仍需要清洗。特別是高密度 PCB 以及高密度 IC 出腳不清洗或不采用超聲波清洗，必將導致高密度線路之間和 IC 出腳之間吸附塵埃 ，一旦環(huán)境濕度大，極易發(fā)生高密度線間和腳間短路而出現(xiàn)故障，而一旦環(huán)境干燥，短路故障又自行消失，這類故障又不易查找。所以世界各國的電子整機廠均堅持對 PCB 板作超聲波清洗 。 接插件、連接件、轉接器等器件的生產中，電鍍和組裝前也必須清洗，否則吸附在這些組裝零件上的灰塵、油污必將影響其導電和絕緣性能，特別是一些復雜的多芯連接器尤其如此。 d． 電子材料加工成型后的清洗：如晶片、硅片、壓電陶瓷片等電子材料是供給元器件廠家的產品，其產品出廠前必須清洗，特別是作出口業(yè)務的廠家，其產品清洗成為一大難題，超聲波清洗是最有效的途 徑。 (2) 超聲波清洗在機電行業(yè)中的應用 機電行業(yè)中，從機械零件到機械部件，從電器零件到電器部件都有清洗的要求，如齒輪、曲軸乃至齒輪箱，又如電器零件上機械和電器的組合件，還有一些精密機械零件和電器零件，這些都離不開清洗，大多數(shù)企業(yè)采用的是傳統(tǒng)的清洗方法，諸如浸潤清洗、噴淋清洗。這種清洗方法不但勞動強度大，而且易造成環(huán)境污染和水資源浪費。目前，不少企業(yè)開始進行技術改造，采用超聲波清洗以消除傳統(tǒng)清洗的弊端，特別是一些形狀復雜的機械零件，是傳統(tǒng)清洗所無能為力的。 (3) 超聲波清洗在輕紡行業(yè)中的應用 輕工行業(yè)，如空調、冷柜、冰箱中的壓縮機；鐘表零件、手表元件等；紡織行業(yè)，如精密紡織器材、噴絲嘴等；珠寶行業(yè)，如金銀首飾、珠寶玉器等，都需要清洗，有些零件、部件和組件，如壓縮機、噴絲嘴等或形狀復雜，或盲孔、微孔，只能由超聲波清洗，有些規(guī)模生產廠甚至采用超聲波鏈式或升降式成套設備。 4． 超聲波測距 ： 安徽理工大學畢業(yè)設計 7 （ 1）超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。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)生器原理 ： 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)生器內部結構有兩個壓電晶片和一個共振板。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，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波 接收器了。 （ 2） 超聲波測距原理 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=340t/2。 這就是所謂的時間差測距法。 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲 波測距原理與雷達原理是一樣的。 測距的公式表示為： L=C T 式中 L 為測量的距離長度； C 為超聲波在空氣中的傳播速度； T 為測量距離傳播的時間差 (T 為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半 )。 超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘 米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用 LM92 溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。 安徽理工大學畢業(yè)設計 8 （ 3）超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會 產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。