【文章內(nèi)容簡介】 圖。作者還進(jìn)行了超聲波測距誤差源分 析以及超聲波測距儀的檢驗(yàn)。 浙江師 范大 學(xué)的 李鳴 華、 余水 寶利 用單片 機(jī)開 發(fā)了 一種超聲波料位測量系統(tǒng) [川。作者介紹了超聲波料位測量的原理以及超聲波料位測量儀的軟硬件設(shè)計，硬件設(shè)計主要分為超聲波信號的產(chǎn)生發(fā)射電路、信號接收處理電路、 AT89 C2051 單片機(jī)控制電路等。作者還分析了造成料位測量誤差的幾點(diǎn)原因，并給出了幾種方法來減少測量誤差。比如 :在計數(shù)電路設(shè)計中，采用了“延遲接收，信號分離”的技術(shù)和相關(guān) 計數(shù)法減小了計數(shù)誤差，對于聲速的 測量誤差，使用溫度補(bǔ)償法 ，在軟件設(shè)計中采用了查表的方法，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償校正。文中的一些方法對于設(shè)計超聲波測量系統(tǒng)來說具有一定的參考價值。聲速的測量在超聲波測距中對提高超聲波精度有重要的作用，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因素有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。 中國海 洋大 學(xué)的 曹玉 華在 《超 聲波 測距系 統(tǒng)設(shè) 計及 其在機(jī)器人模糊避障中的應(yīng)用 })[2]提 出 了 采 用 溫 度補(bǔ) 償 的 方 法 測量聲速，來提高超聲波測距精度。文中溫度檢測部分采用了美國 DA LLA S 半 導(dǎo) 體 公 司 生 產(chǎn) 的 可 組 網(wǎng) 單 線 數(shù) 字 溫 度 傳 感 器DS18B20 測量環(huán)境溫 度，用以溫度補(bǔ)償以修正超聲 波速度，來減小溫度變化對距離測量精度的影響。該超聲波測距裝置在山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 的測量范圍內(nèi)，測量誤差小于 5cm。 山東科 技大 學(xué)的 王紅 梅在 《高 分辨 力超聲 測距 系統(tǒng) 的研究 ))[3]中研究了己有超聲波測距系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用超聲波多次發(fā)射，以多次測量的平均值作為測量值的 方法提高超聲波測距精度，并使用了溫度補(bǔ)償聲速的方法進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精度。為了提高儀器的分辨力，還采用了若干方法來減小隨機(jī)誤差。本文所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)在測量范圍 1c m 一 10c m，精度可達(dá)到 %，分辨率優(yōu)于 。 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 第二章 方案論證 超聲波 測距 主要 應(yīng)用 于倒 車?yán)?達(dá)、 建筑施 工工 地以 及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計超聲波測距儀，但是專用集成電路的成本很高，并且沒有顯示，操作使用很不方便。本文介紹一種以 AT89C51 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。實(shí)際使用證明該儀器工作穩(wěn)定，性能良好。 超 聲波 的定 義 波是由 某一 點(diǎn)開 始的 擾動 所引 起的 ，并按 預(yù)定 的方 式傳播或傳輸?shù)狡渌c(diǎn)上。聲波是一種彈性機(jī)械波。人們 所感覺到的聲音是機(jī)械波傳到人耳引起耳膜振動的反應(yīng)，能引起人們聽覺的機(jī)械波頻率在 20Hz 一 20KHz，超聲波是 頻率大于 20KHz 的機(jī)械波 [4]。 在超 聲波測 距系 統(tǒng)中 ，用脈 沖激 勵超 聲波探 頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動，這種振動在與其接觸的介質(zhì)中傳播，便形成了超聲波。 超 聲波 的物 理特 性 當(dāng)聲波 從一 種介 質(zhì)傳 播到 另一 種介 質(zhì)時， 在兩 介質(zhì) 的分界面上 ，一 部分能 量反 射回原 介質(zhì) ，稱 為反射 波 。另一 部分能量透射過分界面，在另一個介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，稱為折射波，如圖 所示，圖中 L 為入射波， S1 為反射橫波， L1 為反射縱 波， L2 為 折射縱波， S2 為折射橫波 [15]。 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 這些物 理現(xiàn) 象均 遵守 反射 定律 、折 射定律 。除 了有 縱波的反射波折射波以外，還有橫波的反射和折射。 因?yàn)槁暡ㄊ墙柚趥鞑ソ橘|(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動而傳播的，其傳播方向與其振動方向一致，所以空氣中的聲波屬于縱向振動的彈性機(jī)械波。在理想介質(zhì)中，超聲波的波動方程描述方法與電磁波是類似的。描述簡諧聲波向 X 正方向傳 播的質(zhì)點(diǎn)位移運(yùn)動可表示為 : )c o s ()( kxtxAA ?? ? （ ） xeAxA ??? 0)( （ ） 式中， A(x)為振幅即質(zhì)點(diǎn)的位移， 為常數(shù)， ?為角頻率， t為時間， x 為傳播距 離， ??? /2? 為波數(shù)， ?為波長， ?為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)和頻率關(guān)系 : 2af?? （ ） 式 ()中 ? 為介質(zhì)常數(shù) f 為振動頻率 。 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 超聲波的衰減 從理論上講，超聲波衰減主要有三個方面 [16]: (l)由聲速擴(kuò)展引起的衰減 在聲波的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，非平面聲波的聲速不斷擴(kuò)展增大，因 此單位面積上的 聲壓隨距離的增大而減弱，這種衰減稱為擴(kuò)散衰減。 (2)由散射引起的衰減 由于實(shí) 際材 料不 可能 是絕 對均 勻的 ，例如 材料 中外 來雜質(zhì)金屬中的第二相析出、晶 粒的任意取向等 均會導(dǎo)致整個材料聲特性阻抗不均，從而引起聲的散射。被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變成熱能，這種衰減稱為散射衰減。 (3)由介質(zhì)的吸收引起的衰減 超聲波 在介 質(zhì)中 傳播 時， 內(nèi)于 介質(zhì) 的粘滯 性而 造成 質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能 。同時，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，以及由于分子馳豫造成的吸收，這些都是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象，這種衰減稱為吸收衰減。 擴(kuò)散衰 減僅 取決 于波 的幾 何形 狀而 與傳播 介質(zhì) 的性 質(zhì)無關(guān)。對于大多數(shù)金屬和固體介質(zhì)來說，通常所 說的超聲波的衰減，即 p(衰減系數(shù) )表征的衰減僅包括散射衰減和吸收衰減而不包括擴(kuò)散衰減。因此，空氣介質(zhì)的衰減系數(shù)也由兩部分組成，可由下式表 : 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 )11(238 2 222322 PV CCC KfCf ??? ??? ??? （ ） 式中： K ：熱傳導(dǎo)系數(shù) f ：超聲波頻率 ?：動力粘滯系數(shù) C：超聲波傳播速度 VC ： 定容比熱 PC ：定壓比熱 ? ：傳播介質(zhì)密度 式（ ） 中 第一 項(xiàng)是由 內(nèi)摩 擦引 起的衰 減系 數(shù)， 第二項(xiàng) 是由熱傳導(dǎo)引起的衰減系數(shù)，由于后者比前者小得多，故在忽略熱傳導(dǎo)引起的超聲波衰減的情況下，衰減系數(shù)可以由下式表示 : 32238 Cf? ??? ? （ ） 把M TRC ??? ?代入式（ ）可得： 23232322 )(38TRMf ??? ????? （ ） 由式（ ） 可知 :溫度一定時 ， R、 ? 、 T 均一定，衰減系數(shù)與頻率的 平方 成正比 。頻 率越高 ，衰 減的 系數(shù)就 越大 ，傳 播的距離也就越短。在實(shí)際應(yīng)用中，一般選 301OOKHz 的超聲波進(jìn)行距離測量，比較典型的頻率為 4OKHz， 本 系 統(tǒng) 就 選 用 頻 率f=4OKHz 的超聲波的傳感器。 超聲波的波型 由于聲源在介質(zhì)中施力的方向與波在介質(zhì)中傳播的方向可以相同 也可以不同，這就可 產(chǎn)生不同類型的聲波，超聲波的波型主要有以下幾種 [7]: (l)縱波 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 當(dāng)介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)振動方向和超聲波傳播方向相同時，此種超聲波為縱波波型，以 L 表示。任何介質(zhì)，當(dāng)其 體積發(fā)生交替變化時均產(chǎn)生縱波。由于縱波的產(chǎn)生和接收都較容易，所以縱波在超聲波檢測中得到了廣泛應(yīng)用。 (2)橫波 當(dāng) 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動方向和超聲波的傳播方向垂直時，此種超聲波為橫波波形 ，以 T 表示。因?yàn)橐后w和氣體中缺乏橫向運(yùn)動的彈性力，所以橫波不能存在，只有縱波才能存 在，但在固體中縱波和橫波都能存在。 (3)表面波 瑞利于 1887 年首先研究 和證實(shí)了表面波的存在，因此稱為瑞利波，用字母 R 表示。表面波是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波雙重性的波。其振動質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，質(zhì)點(diǎn)位移的長軸垂直于傳播方向，質(zhì)點(diǎn)位移的短軸平行于傳播方向，隨著深度增加很快衰減，離表面一個波長以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動的振幅很微弱。表面波的傳播速度，只與介質(zhì)的彈性性質(zhì)有關(guān)，與頻率無關(guān)。 (4)板波 板波亦稱拉姆波，板波只產(chǎn)生在大約一個波長的薄板內(nèi)，在板的兩表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動，聲場遍及整個板的厚度。薄板兩表面的質(zhì)點(diǎn)振動是縱波和橫波成分之和，運(yùn)動軌跡為橢圓形，長軸于短軸的比例取 決于材料的性質(zhì)。板波可以分為對稱型和非對稱型兩種。 發(fā) 射脈 沖波 形 超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖 20 所示有單個尖脈山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅波列脈沖和寬等幅波列脈沖。 介質(zhì)中超聲波的衰減系數(shù)根據(jù)前面的分析可知是頻率 f 的函數(shù)，因此發(fā)射的脈沖波中不同頻率成分的 波將以不同的群速度傳播，這使得脈沖波形將隨著傳播距離的增大而發(fā)生畸變，并且這種畸變程度隨距離的增加而變得顯著。在要求分辨力較高和盲區(qū)較短的超聲測量技術(shù)中，一般使用寬度較窄的脈沖波。 圖 20 超聲波測距常用波形 超 聲波 測距 原理 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 。 由于超聲波也是一種聲波，山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 其聲速 C 與溫度有關(guān)，表 1 列 出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機(jī)理。 圖 21 即為超聲波測距的具體流程圖。 圖 21 系統(tǒng)總體設(shè)計流程 圖 表 1 溫度與聲速的關(guān)系 溫度（ ℃ ） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速（ m/s） 313 319 325 333 338 344 349 386 測 量與 控制 方法 聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長 的目 標(biāo)物體 阻 擋時就 會發(fā) 生反 射；反 射波 稱為 回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的， 而 且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間可以測量得 到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 22 所示 定時器 顯示器 振蕩器 調(diào)制器 接 收 檢 測器 電 聲 換 能器 計時器 控制 電 聲 換 能器 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 22 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 由于此超聲波測距儀可以實(shí)現(xiàn)雙向測距，所以需進(jìn)行測距選擇，而這個測距 選擇就以自動選擇功能來實(shí)現(xiàn) . 理 論計 算 如圖 23 所示為反射時間 ，是利用檢測聲 波發(fā)出到接收到被測 物反 射回波 的 時間來 測量 距離 其原理 如圖 所示 ，對于距離較短和要求不高的場合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時間 T 利用公式 2TCS ?? 其中， S 為被 測距離、 V 為空氣中聲速、 T 為回波時間， 21 TTT ?? 可以計算出路程，這種 方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號的 影響 也可以 通過 設(shè)置“ 時間 門” 來加以 克 服。 這樣可以求出距離： 壓電晶片 電極 共振板 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 ? ?2 21 TTCS ?? 圖 23 測距的原理 本次設(shè)計是用 555 時基電路振蕩產(chǎn)生 40Hz 的超聲波 信號。其振蕩頻率計算公式如下 ： ))2(( 532 CRRf ??? T 2 T 1 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 影 響 精 度的 因素 分析 1） 發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 采 用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率 40K H z ，忽略脈沖電 路硬件產(chǎn)生的延時 ，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)測量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測物距離為 h，則空 氣中傳播的超聲波波動方程為： ? ? ? ? ? ???? kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s??? (1) 由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 向性。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要