【文章內(nèi)容簡介】 此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。目前常用的超 聲傳感器有兩大類，即流體動力型與電聲型。流體動力型中包括有氣體、液體兩種類型的哨笛。電聲型主要有壓電傳感器、靜電傳感器和 磁致伸縮傳感器。 壓電傳感器的探頭由楔塊、壓電晶片和接頭等組成 。壓電材料 可 分為壓電陶瓷和晶體兩類。屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等，屬于晶體的如石英， 鈮酸鋰 等，其具有下列的特性 :把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的變化 。相反，如果對它施以外力，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。 超聲波傳感器通常由雙壓電陶瓷片制成的。這種超聲波傳感器需要較少的壓電材料，價格低廉，非常適合于氣體和液體介質(zhì)。當(dāng)壓電陶瓷改變交流電壓的大小和方向，根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形 是 與 在一定范圍內(nèi)所施加的 電壓 大小和方向 成比例的。 即 在壓電陶瓷晶片上加有頻率為交流電壓 ， 它就會產(chǎn)生相同頻率的機(jī)械振動， 以促進(jìn)這種介質(zhì)，例如空氣，可發(fā)射超聲波。如果在壓 電陶瓷片上，這將使得機(jī)械變形時，壓電陶瓷片的機(jī)械變形，產(chǎn)生與機(jī)械超聲波相同頻率的電信號 。 A B 圖 23 雙壓電晶片示意圖 圖 24 雙壓電晶片的等效電路圖 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 7 雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， R 是 電損耗 ， C0 為靜電電 容 ， R 是損耗串聯(lián)電阻 ， 聯(lián)電阻 Cm、 Lm 是 機(jī)械共振回路的電容和電感 。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率 ?0，發(fā)射超聲波時，加在它兩端的交變電壓的頻率必須和 它的固有諧振頻率 保持一致。 在這種情況下，超聲波傳感器具有 很 高的靈敏度。當(dāng) 改變壓電材料常數(shù)和改變壓電陶瓷片， 由超聲波換能器的頻率特性很容易改變使用的固有諧振頻率的幾何形狀 [5]。 超聲波傳感器選擇 在超聲波測量系統(tǒng)中，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；頻率取得太低，外界的雜音干擾 會 相應(yīng)的 變 多。文中所 采用 的探頭是40KHz 的收發(fā)分體式超聲傳感 器，由 發(fā)射傳感器 UCMT40KI和 接收傳感器 UCMR4OKI組成，其特性參數(shù)如表 21 所示。 表 21 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 ubardBV110 ubardBV65? 聲壓 ) n(115 m P adBdB ? )10m in (70 ub arVdBdB ?? 指向角 o75 o80 容量 pF%252500 ? pF%252500 ? 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 [6]。 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 8 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 就 增加 米／秒。表 22 列出了幾種溫度下的聲速： 表 22 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） 313 319 325 331 337 343 349 389 在使用時，假設(shè)溫度變化不是大的 話 ，則可以 當(dāng)做 聲速 c 不變，計算的 時候 取 c 的 大小 為 340m/s。只是 測距精度要求很高的 時候 ，就可以 在硬件電路基本 上 保持 不變的情況下通過軟件 來加以校正以及 改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法。 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?？諝庵新曀倥c溫 度的關(guān)系可表示為： )/( smTTC ???? (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(jìn)行溫度補(bǔ)償） 發(fā)射脈沖波形 超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖 所示有衰減振蕩脈沖、單個尖脈沖、寬等幅波列脈沖和窄等幅波列脈沖。 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 9 單個尖脈沖 衰減振蕩脈 沖 窄等幅波脈沖 寬等幅波脈沖 圖 超聲波測距常用發(fā)射脈沖波形 本章小結(jié) 本章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(xì)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) ； 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、環(huán)境溫度、工作頻率、發(fā)射脈沖波形。 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 10 三、 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)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(bǔ)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，其工作原理都是一樣的 （ 都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(diǎn) 所在 。 發(fā)射電路采用單片機(jī) 端口編程輸出 大概 40KHz 的方波脈沖信號，同時開啟內(nèi)部計數(shù)器 T0 單片機(jī)端口輸出功率 比較 弱， 所以 加大加功率放大電路使測量距離 能夠 滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器 UCM40T 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn) 。 由于 從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來的超聲 波 回波很微弱 ， 只有幾十個 mV 級， 同時又 有著較強(qiáng)的噪聲，所以必須考慮放大信號和抑制噪聲。這里使用 CX 20xx6A 集成電路對接收探頭 接 收濾波 ，信號經(jīng)過 端口送入單片機(jī)中進(jìn)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(jī)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 40 kHz 左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：使用軟件如單片機(jī)軟件編程輸出或采用硬件如由 555 振蕩產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用前者。編程由單片機(jī) 端口輸出 40 kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機(jī)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(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，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 R31，一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， 另 一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動能力。 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 11 發(fā)射電路設(shè)計方案 一、發(fā)射電路輸出波形分析 傳感器 的 發(fā)射電壓大小一般 是 由發(fā)射信號損失及接收機(jī)的靈敏度 決定 ； 考慮實際發(fā)射傳感器最大輸入電壓為 20V，而單片機(jī)輸出的最大正常工作電壓為 5V，功率傳感器傳輸?shù)男盘栔苯記Q定超聲波距離傳感器信 號的發(fā)射，所以在相同的時間內(nèi)電壓應(yīng)考慮如何增加他們的功率 ，以使發(fā)射電路是比 較合理的。 各個振動的發(fā)射波應(yīng) 是 以大致相同的頻率，這樣，接收的帶通濾波器可用于消除干擾和 接收相同的振動 波 峰，以避免由于反射 面和干涉障礙物造成 的各種損失。為了 獲得高的分辨率，超聲發(fā)射器的電路設(shè)計應(yīng)確保良好的發(fā)射波形的重復(fù)性 。 為 了保證 發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性， 發(fā)射電路 的 設(shè)計必須合理 。一般 發(fā)射電路 通常 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 [7]。 發(fā)射電路方案 從上面的分析可以 知道，發(fā)射電路設(shè)計的主要目的是提供輸入到發(fā)射探頭電壓和功率。本系統(tǒng)單片機(jī)的 發(fā)出了一組方波脈沖信號，輸出波形穩(wěn)定可靠，但由于輸出電流和輸出功率非常低，所以還不足以推動發(fā)射傳感器發(fā)射足夠 的 超聲波信號 ，所以在這里加入了一個單電源乙類互補(bǔ)對 稱功率放大電路，如圖 32 所示。 圖 31 超聲波發(fā)射電路框圖 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 12 Q2Q1V C C V C CC1R1L S 1RFP 1. 0 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 后 就 會 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(diǎn)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。 誤差一般由以下 幾個方面 引起 的 ： （ 1） 探測目標(biāo)的入射角 ? 會 受 超聲波波束影響 ； （ 2） 待測距離的遠(yuǎn)近關(guān)系 著 超聲波回波聲強(qiáng)， 就 會 導(dǎo)致實際測量時不一定是第一個回波的過零點(diǎn)觸發(fā)； （ 3）