【文章內(nèi)容簡介】 能，接收端則反之。本次設(shè)計(jì)超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式 超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類，它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)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(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 超聲波測距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測法測距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率 的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測試傳輸時(shí)間可以得出距離。 假定 s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時(shí)間為 t／ s，超聲波傳播速度為 v／ m s－ 1表示，則有關(guān)系式 (21) s=vt／ 2 (21) 在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式 (22)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。 v=331． 4+0． 607T (22) 式中， T為實(shí)際溫度單位為℃， v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 m／ s。 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有 : 。 。電傳感器。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)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(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，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(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)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，妮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特性 :把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變 。相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電 場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)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(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。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(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效 應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)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兒交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號。 圖 6 雙壓電晶片示意圖 雙壓電晶片如圖 6 所示，當(dāng)在 AB 間施加交流電壓時(shí)，若 A 片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。 圖 7 雙壓電晶片的等效電路圖 雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， OC 為靜電電容， R 為陶瓷材料介電損耗 ,并A 壓電晶片 B . . 聯(lián)電阻 Cm和 Lm 為機(jī)械共振回路的電容和電感， mR 為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率? o。發(fā)射超聲波時(shí)，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(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，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，利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 (振動板 )接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率 地發(fā)送超聲波 。接收超聲波時(shí)，超聲波的振動集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。 超聲波傳感器選擇 超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭 (接收縱波 )、斜探頭 (接收橫波 )、表面波探頭 (接收表面波 )、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波 。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受 超聲波。 在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。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。本文中選用的探頭是 4OKHz 的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器 UCMT40KI 和一支接收傳感器 UCMR4OKI組成，其特性參數(shù)如表所示。 表 1 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 ) in (1 1 5 mP adBdB ? )10m in (70 u b a rVdBdB ?? 指向角 o75 o80 容量 pF%252500 ? pF%252500 ? 超聲波測距的原理 通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的 時(shí)間差 就可以知道距離了。這與 雷達(dá) 測距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。（超聲波在空氣中的傳 播速度為 340m/s，根據(jù) 計(jì)時(shí)器 記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2） 。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)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(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波 時(shí) ，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 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(shí)間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)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(shí)間 t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離 l。設(shè) l 為測量距離， t為往返時(shí)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(jì)將采用渡越時(shí)間法。 圖 8 原理圖 . . 圖 9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，聲速增加 米／秒。表列出了幾種溫度下的聲速： 表 2 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） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 c 是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 c 為 340m/s。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進(jìn)算法 的方法來加以校正。 在本系統(tǒng)中利用 AT89S52 中的定時(shí)器測量超聲波傳播時(shí)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(shí)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） 如果為了進(jìn)一步提高測量精度，本設(shè)計(jì)中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)： 2 2 2s l h?? 。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行角度補(bǔ)償） 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時(shí)與信號的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 25181。s(l 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 100181。s(4 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 200181。s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 800181。s(32 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )的 發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號后的接收信號。最終采用短距離 (2m 內(nèi) )發(fā)射 200181。s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )發(fā)射脈沖寬度 。長距離 (2m外 )發(fā)射 800181。s(32 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號幅度和測量. . 盲區(qū)兩個(gè)方面來衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。 測量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不 一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進(jìn)行定量評價(jià)會使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下 : 圖 10傳感器回波測距原理分析圖 如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振 (由于機(jī)械慣性作用 )。因此，在一段較長時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限 幅電平Vm。另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號相隔時(shí)間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值 Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。由圖 28 可見，從 b 點(diǎn)以后，接收的信號低于閩值，相當(dāng)于測距的遠(yuǎn)限。另外，從圖中 A點(diǎn)以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信 號相迭加，難以分辨。從 c 點(diǎn)以后，發(fā)射信號低出閾值 Vm，接收信號才基本擺脫發(fā)射信號干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時(shí)，把 oc 這段時(shí)間規(guī)定為盲區(qū)時(shí)間。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時(shí)間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此， cb 為可測距范圍 。b 點(diǎn)就為測距遠(yuǎn)限，其外部就為測量不到. . 的區(qū)域。 2. 3 總體設(shè)計(jì)小結(jié) 本章首先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(gè)重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲傳感器的特性參數(shù) 。分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、工作頻率、發(fā)射脈沖寬度和測量盲區(qū)對超聲測距精度的影響。 . . 整體電路的控制核心為單片機(jī) AT89C51。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進(jìn)行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接 OUT 口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測量電路測量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路、超聲波