【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 波在固體里傳播的時(shí)間確定物體的長(zhǎng)度以及超聲波在固體里遇到障礙物界面上的反射來(lái)確定物體內(nèi)部 損傷 (如裂縫、氣孔及雜質(zhì)等 )位置，稱(chēng)之為無(wú)損探傷。利用超聲波測(cè)距輔助機(jī)器人確定機(jī)器人自身位置和環(huán)境識(shí)別，從而準(zhǔn)確避開(kāi)障礙物按照預(yù)先規(guī)劃好的行進(jìn)方向行進(jìn)來(lái)完成預(yù)定任務(wù)。另外還應(yīng)用于礦井探測(cè)、液面探測(cè)、建筑、汽車(chē)報(bào)警等領(lǐng)域。超聲波測(cè)距是一種非接觸式檢測(cè)方式，和紅外、激光及無(wú)線電測(cè)距相比，超聲波測(cè)距有其不受光線 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) 影響，結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單，成本低等特點(diǎn)。采用高精度視覺(jué)識(shí)別環(huán)境技術(shù)需要復(fù)雜的信息處理，且體積較大，價(jià)格昂貴。對(duì)于體積較小成本較低的機(jī)器人，這些特點(diǎn)尤為突出，相比之下，超聲波測(cè)距的特點(diǎn)彌補(bǔ)了以上不足， 表 超聲波在檢測(cè)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用 具體應(yīng)用產(chǎn)品和事物 工業(yè) 金屬材料和部分非金屬材料探傷，超聲振動(dòng)切削加工，超聲波清洗零件，超聲波焊接，超聲波流量計(jì)，超聲波料位及液位檢測(cè)，濃度檢測(cè)，硬度計(jì) 通訊 定向通訊 醫(yī)療 超聲波成像儀器，超聲波血流計(jì)，超聲波潔牙器等 家用電器 遙控器，加濕器，防盜報(bào)警器，超聲波驅(qū)蟲(chóng)器 其他 盲人防撞裝置，汽車(chē)倒車(chē)測(cè)距報(bào)警器，裝修工程測(cè)距（計(jì)算用料） 在許多情況下能很好地完成探測(cè)任務(wù)。因此超聲波測(cè)距得以廣泛的推廣。另外用超聲波陣列來(lái)識(shí)別反射物的類(lèi)型 (如平面、邊緣和墻角 )為其新應(yīng)用。 1． 4． 3 超聲波測(cè)距的發(fā)展現(xiàn)狀 超聲波測(cè)距雖然被大量應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，但它在低信噪比下測(cè)距精度較低，多個(gè)超聲波測(cè)距條件下會(huì)產(chǎn)生相互影響，另外測(cè)距的盲區(qū)較大，這些固有的特點(diǎn)也限制其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用國(guó)外在提高超聲波測(cè)距性能方面做了大量的研究，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也做了相關(guān)研究。對(duì)超聲波的研究主要集中在提高超聲波測(cè)距精度，減小多個(gè)超聲波反射互相影響這兩個(gè)方面。 超聲波測(cè)距的精度主要取決于所測(cè)的超聲波傳輸時(shí)間的精度和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時(shí)間的精度影響較大，所以大部分文獻(xiàn)采用降低傳輸時(shí)間的不 確定度來(lái)提高測(cè)距精度。目前相位探測(cè)法和聲譜輪廓分析法或?qū)⒍呓Y(jié)合起來(lái)的方法是主要的降低探測(cè)傳輸時(shí)間不確定度的方法。廈門(mén)大學(xué)的童風(fēng)研究了一種回波輪廓分析法。該方法在測(cè)距中通過(guò)兩次探測(cè)求取回波包絡(luò)曲線來(lái)得到回波的起點(diǎn)，通過(guò)這樣處理后超聲波行 業(yè) 用 途 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) 的傳播時(shí)間的精度得到了很大的提高不過(guò)因?yàn)樾枰?jīng)過(guò)兩次探測(cè)后才能得到回波的包絡(luò)，且計(jì)算包絡(luò)需要一些信息處理時(shí)問(wèn)，這樣盲區(qū)較大約為。日本三菱電器公司的 Tomonori等人是采用兩種不同的發(fā)射頻率來(lái)發(fā)射超聲波，通過(guò)比較兩種回波的相位來(lái)決定回波的起點(diǎn)，也提高了 TOF的精度，從 而提高了超聲波的測(cè)距精度。 意大利的 Carullo等人介紹了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，采用特殊的發(fā)射波形來(lái)獲得好的回波包絡(luò)，同時(shí)采用對(duì)環(huán)境的噪聲進(jìn)行估測(cè)，設(shè)置一定的回波開(kāi)門(mén)電平，且采用自動(dòng)增益的控制放大器，通過(guò)這些措施來(lái)提高超聲波的探測(cè)精度。另外也有大量的文獻(xiàn)研究采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和小波變換理論來(lái)提高 TOF的精度。這些處理方法都取得了較好的效果，但是這些技術(shù)都是以犧牲實(shí)時(shí)性，增長(zhǎng)處理時(shí)間同時(shí)增加傳感器成本和體積為代價(jià)的，所以體積較大，價(jià)格較高。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，不需要非常高的精度，但需要較小的體積和小的盲區(qū)且成本較低 。本課題就是這樣一個(gè)例子，由于是實(shí)驗(yàn)室做出的超聲波料位計(jì)，所以要特別考慮其體積小和造價(jià)低。鑒于此，本課題將開(kāi)發(fā)一種適合于實(shí)驗(yàn)室的體積小、成本低的超聲波測(cè)距傳感器。 1． 5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容及可行性分 析 本論文是以超聲波料位計(jì)的工作原理為內(nèi)容的出發(fā)點(diǎn)的，先進(jìn)行硬件方面的學(xué)習(xí)，比如先通過(guò)參考別人的一些資料，了解硬件的基本知識(shí)和功能，然后進(jìn)行硬件的選型，最后搭建出一個(gè)合理的硬件電路來(lái)。隨著硬件的完成，我們對(duì)軟件的結(jié)構(gòu)有了最初的規(guī)劃，設(shè)計(jì)出和硬件相適應(yīng)的流程圖，設(shè)計(jì)的最后期盡量完成程序的編寫(xiě)和調(diào)試，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì) 的要求。 現(xiàn)在超聲波料位計(jì)已經(jīng)普遍應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域中，其在工業(yè)領(lǐng)域的重要性越來(lái)越得到體現(xiàn)，因此我們進(jìn)行這個(gè)課題的研究，對(duì)以后的工作會(huì)有很大的幫助，我們發(fā)現(xiàn)硬件方面的設(shè)計(jì)不是很難，主要是軟件設(shè)計(jì)，尤其是編程，我對(duì)這方面沒(méi)多大把握，但是我們只是設(shè)計(jì)一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室演示的超聲波測(cè)距器，所以對(duì)環(huán)境的要求會(huì)低一點(diǎn)，我認(rèn)為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)此方案是可以完成的。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) 2 超聲波測(cè)距儀的原理 2． 1 超聲波測(cè)距傳感器 2． 1． 1 超聲波測(cè)距傳感器的工作原理 超聲波測(cè)距傳感的超聲波是由一種被稱(chēng)作換能器的晶振體產(chǎn)生的。當(dāng)在其上加上 與晶振體相同頻率的交流電壓時(shí)，彈簧金屬片對(duì)周?chē)目諝夥肿舆M(jìn)行擠壓和擴(kuò)張，產(chǎn)生了超聲波。超聲波的發(fā)射是由開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制的，處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)作為發(fā)射器發(fā)射超聲波，處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)作為接受器偵聽(tīng)反射回的超聲波 . 測(cè)距傳感器能根據(jù)檢測(cè)到目標(biāo)的距離得到連續(xù)的、線性的模擬量輸出，由于不受物體顏色和透明度的影響，它能很好地檢測(cè)出諸如光電傳感器檢測(cè)不到的物體。 2． 1． 2 超聲波測(cè)距傳感器的分類(lèi)和選擇 （ 1）從原理上來(lái)： 一般測(cè)距傳感器采用非接觸的測(cè)量方法，測(cè)量周?chē)h(huán)境的物體或被操作物體的空間位置。非接觸測(cè)量距離的方法很多，從納 米級(jí)微小位移成成千上萬(wàn)公里甚至更遠(yuǎn)的距離，它們的測(cè)量應(yīng)用了多種原理，采用了各種不同的裝置。對(duì)超聲波料位計(jì)來(lái)說(shuō)，所需測(cè)量的距離一般為零點(diǎn)幾米到幾十米遠(yuǎn)，因此測(cè)距傳感器的測(cè)量范圍一般都包含在這個(gè)范圍。根據(jù)所采用的原理不同，測(cè)距傳感器可以分為以下幾種 : ① 電磁類(lèi)測(cè)距傳感器 電磁類(lèi)測(cè)距傳感器主要有三種類(lèi)型，它們分別基于電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、電渦流原理。 電磁感應(yīng)測(cè)距傳感器的核心由線圈和永久磁鐵構(gòu)成，當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離或靠近鐵磁性材料時(shí)，會(huì)引起永久磁鐵磁力線的變化，從而在線圈中產(chǎn)生電流。當(dāng)傳感器與被測(cè)物體相對(duì)靜止時(shí)，由于磁 力線不發(fā)生變化，因而線圈中沒(méi)有電流，因此這種傳感器只是在外界物體與之產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，才產(chǎn)生輸出，且隨著距離的增大，輸出信號(hào)明顯減弱，因而這種類(lèi)型的傳感器只能用于很短距離的測(cè)量。 電渦流測(cè)距傳感器的最簡(jiǎn)單的形式只包括一個(gè)線圈，線圈中通入交變電流，當(dāng)傳感器與外界導(dǎo)體接近時(shí)，導(dǎo)體中感應(yīng)產(chǎn)生電流，即電渦流效應(yīng)， 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) 傳感器與外界導(dǎo)體的距離變化能夠引起導(dǎo)體中所感應(yīng)產(chǎn)生電流的變化。通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)電路，可從線圈中耗散功率的變化中，得出傳感器與外界物體之間的距離。 霍爾效應(yīng)測(cè)距傳感器則因其應(yīng)用此原理而得名，當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離被測(cè)導(dǎo)體時(shí) ，在特定導(dǎo)體上有較強(qiáng)的磁場(chǎng) 。當(dāng)其靠近時(shí)，磁場(chǎng)變?nèi)酢４艌?chǎng)的變化引起特定導(dǎo)體兩端電壓的變化，根據(jù)這個(gè)原理可實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的測(cè)量。由以上對(duì)于幾種感應(yīng)式傳感器的分析可以看出，它們存在一些相的缺陷 :這一類(lèi)傳感器一般對(duì)于鐵磁材料比較敏感 。檢測(cè)信號(hào) (電壓、電流等 )與被測(cè)量 (距離 )之間不是線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系 。測(cè)量對(duì)受外界電磁干擾較大 ?？蓽y(cè)量的范圍較小，距離較近，一般僅為零點(diǎn)幾毫米。顯然，它們都不適用于超聲波料位計(jì)。 ② 電容式測(cè)距傳感器 此類(lèi)傳感器通過(guò)檢測(cè)外界物體靠近傳感器所引起的電容變化來(lái)反映距離信息。最基本的用來(lái)檢測(cè)電容變化的 電路中，將電容作為振蕩電路中的一個(gè)元件，只有在傳感器電容值超過(guò)單一闡值時(shí)，振蕩電路才開(kāi)始振蕩，將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，即可表示與外界物體的距離。電容式傳感器只能用來(lái)檢測(cè)很短的距離，一般僅為幾個(gè)毫米，超過(guò)這個(gè)距離，傳感器的靈敏度將急劇下降 。并且由于內(nèi)部采用闡值判斷，不能起到精確測(cè)量的作用，而可能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的工作方式 .因此，不適合精確的測(cè)距用途。 ③ 紅外和光電傳感器 這類(lèi)測(cè)距傳感器是依靠紅外線或是其它不可見(jiàn)光的直線傳播特性。通過(guò)光敏元件來(lái)發(fā)射和接收號(hào)，從而判斷障礙物的存在與否。由于光線的傳播速度極快，通常難以通 過(guò)簡(jiǎn)單的裝置估算其傳播距離，因此在簡(jiǎn)單、低成本的應(yīng)用中，這類(lèi)傳感器也是主要用于狀態(tài)的判斷 (障礙物的有無(wú)、物料是否到位、液面是否過(guò)高等 )而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的實(shí)時(shí)測(cè)量。 ④ 超聲波測(cè)距傳感器 在排除了以上幾種測(cè)距傳感器的條件下，我們選擇了超聲測(cè)距傳感器，作為超聲波料位計(jì)的主要傳感部件。主要有以下幾方面的因素 : 1） 測(cè)距方式原理簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)； 2） 測(cè)距范圍可以從幾厘米一直到幾十米，完全滿足了智能吸塵機(jī)器 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) 人產(chǎn)品的要求； 3） 測(cè)距精度高，整體誤差可以控制在量程的 %范圍內(nèi)； 4） 超聲波傳感器有一定的覆蓋性 ，因此，可以用較少的傳感器數(shù)量覆蓋較大的測(cè)量范圍； 5） 被測(cè)物體的最小尺寸可以通過(guò)選擇測(cè)量用超聲波信號(hào)的波長(zhǎng) (頻率 )來(lái)決定。 目前，超聲波測(cè)距傳感器在超聲波測(cè)距中應(yīng)用十分廣泛。它的測(cè)量原理是基于測(cè)量原理是基于測(cè)量渡越時(shí)間，即測(cè)量從發(fā)射換能器的超聲波，經(jīng)目標(biāo)反射后，沿原路返回到接收換能器所需的時(shí)間。由渡越時(shí)間和介質(zhì)中的聲速即可求得目標(biāo)與傳感器之間的距離。 （ 2）從材料上來(lái)看： 超聲波檢測(cè)設(shè)備中所使用的傳感器稱(chēng)為超聲波傳感器。超聲波傳感器也稱(chēng)超聲波換能器，簡(jiǎn)稱(chēng)探頭，其功能是完成聲能和電能的轉(zhuǎn)換。檢測(cè)超聲波過(guò) 去一直使用類(lèi)似于話筒的電動(dòng)式轉(zhuǎn)換器、類(lèi)似于電容傳聲器的電容式轉(zhuǎn)換器，或使用磁致伸縮振動(dòng)子?，F(xiàn)在檢測(cè)超聲波普遍使用的是各種類(lèi)型的壓電陶瓷振子。如果超聲波檢測(cè)的對(duì)象不同，測(cè)量的環(huán)境溫度、壓力、介質(zhì)發(fā)生了變化，所采用的超聲波換能器也必須進(jìn)行合理選擇。 圖 反壓電效應(yīng) 有些單晶體和晶體陶瓷材料受到應(yīng)力后，能在材料中產(chǎn)生電場(chǎng)，這種效應(yīng)稱(chēng)為壓電效應(yīng)，這些材料被稱(chēng)為壓電材料。有些壓電材料不僅具有壓電效應(yīng)，而且還具有反壓電效應(yīng)。所謂反壓電效應(yīng)如圖 ，是在壓電 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) 元件上施加電壓，元件就變形，即應(yīng)變。若在圖 (a)所示的已經(jīng)磁化的壓電陶瓷上施加如圖 (b)所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng)。若外部施加電壓的極性變反，如圖 (c)所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。所以，具有反壓電效應(yīng)的材料受到電場(chǎng)作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。電能轉(zhuǎn)化聲能是利用反壓電效應(yīng)，由超聲波發(fā)射換能器完成，而由聲能轉(zhuǎn)化為電能是利用壓電效應(yīng)，由超聲波接收換能器實(shí)現(xiàn)。 常用的壓電材料有兩類(lèi)，一是天然或人工 制造的壓電單晶體，如石英等，另一類(lèi)是人工燒制的多晶壓電陶瓷，這兩類(lèi)材料經(jīng)加工后，都可得到與外加電場(chǎng)頻率相同的壓電應(yīng)變，反之亦然。當(dāng)換能器的環(huán)境溫度升到居里點(diǎn)溫度 (臨界溫度 )時(shí)，電疇結(jié)構(gòu)解體，材料不再具有壓電性能，所以必須采用一定的冷卻系統(tǒng)，才能使之用于高溫環(huán)境。在本課題中，我們認(rèn)為超聲波傳感器使用在常溫常壓的工作環(huán)境中，這樣使問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。使用的探頭是多晶壓電陶瓷型，機(jī)械強(qiáng)度高，能耐溫耐濕，而且具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率。 （ 3）從工作方式上來(lái)看： 超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳 播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測(cè)量距離的作用。其主要有三種測(cè)距方法 : ① 相位檢測(cè)法 相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限。 ② 聲波幅值檢測(cè)法 聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響 ③ 渡越時(shí)間檢測(cè)法 (TOF) 渡越時(shí)間檢測(cè)法的工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都非常容易實(shí)現(xiàn)。其原理為 :檢測(cè)從發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收換能器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) 2． 1． 3 超聲波測(cè)距傳感器的探測(cè)方式 超聲波傳感器進(jìn) 行物體探測(cè)的兩種方式 :直接方式和反射方式 ,如圖 : 直接探測(cè)方式是將超聲波發(fā)送器和接收器面對(duì)面放置。當(dāng)接收器直接收到發(fā)送器的超聲波信號(hào)時(shí)，認(rèn)為被測(cè)物體不存在 。當(dāng)收不到超聲波信號(hào)時(shí)，認(rèn)為被測(cè)物體存在。反射探測(cè)方式是將發(fā)送器和接收器同側(cè)放置，有反射波時(shí)，認(rèn)為被測(cè)物體存在。 反射方式有兩種形式 .一種是使用一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器的獨(dú)立型，另一種是只使用一個(gè)既作發(fā)送器又作接收器的兼用性。兼用型只用一個(gè)傳感器，這是其優(yōu)點(diǎn)，但需要發(fā)送、接收切換電路，而且只適用于遠(yuǎn)距離探測(cè)。 配置方式 用途 特征 直接方式 遙 控 探測(cè)物體 ① 探測(cè)靈敏度可自由設(shè)定，易于設(shè)計(jì) ② 設(shè)置場(chǎng)所需在兩處 反射方式（獨(dú)立型） 探測(cè)物體 測(cè)量距離 ① 需要從 T 向 R 直接迂回輸入的對(duì)策 ② 可使用 T 和 R 專(zhuān)用的傳感器，效率高 ③ 多用