【正文】 面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng)，其幅值也愈來(lái)愈小。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)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。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)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。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量. . 盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。長(zhǎng)距離 (2m外 )發(fā)射 800181。最終采用短距離 (2m 內(nèi) )發(fā)射 200181。s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 800181。s(l 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 100181。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。 （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(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)?？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(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離： L=1/2(+)t。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過(guò)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(guò)軟件改進(jìn)算法 的方法來(lái)加以校正。 圖 8 原理圖 . . 圖 9測(cè)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(lái)說(shuō)，溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加 米／秒。設(shè) l 為測(cè)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。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(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。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。（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） 。這與 雷達(dá) 測(cè)距原理相似。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。 在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。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 。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。接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過(guò)金屬板 (振動(dòng)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。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。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。 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。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)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(hào)。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(huì)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。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電 場(chǎng)。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。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，. . 是超聲檢測(cè)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(cè)裝置的重要組成部分。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(cè)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(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。電傳感器。電聲型主要有 : 。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。 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。 假定 s為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為 t／ s，超聲波傳播速度為 v／ m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(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，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)。 超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。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(cè)的距離也越遠(yuǎn)。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其 頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。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(lái)工作的。反之，如果兩極間未 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(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。 (3) 熱學(xué)作用 如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。超聲波引起 質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大，有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場(chǎng)。 (2)超聲波的衰減 超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。 (1) 超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性 阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過(guò)界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。超聲波的吸收和衰減超聲波在體內(nèi)傳播的過(guò)程中，強(qiáng)度將隨著所傳深度的增加而進(jìn)行性減弱，稱衰減。剩余能量將以某一中心向空間各個(gè)方向傳播，稱散射。如果兩種介質(zhì)中的聲速相同，透射聲束的方向?qū)⒌扔谌肷渎暿姆较颉３暡ǖ姆瓷?、折射和散射?dāng)超聲波在傳播過(guò)程中遇到兩種不 同介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)分界面將產(chǎn)生反射。在超聲技術(shù)中，超聲波由探頭發(fā)出并進(jìn)入人體后，在距離探頭較近的一段區(qū)域內(nèi)，形成一條寬度近似探頭直徑的超聲束，此區(qū)稱為近場(chǎng)。產(chǎn)生超聲波的方法有多種，現(xiàn)代超聲波的產(chǎn)生主要是利用某些晶體（如石英，酒石酸鉀鈉、鋯鈦酸鉛等）的特殊物理性質(zhì) 壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波。由于超聲波的頻率超過(guò)了人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍，因而人耳 感覺(jué)不到聲音。太小的 聲強(qiáng) 無(wú)法產(chǎn)生空化效應(yīng) 。此空洞非常接近真 空，它在超聲波壓強(qiáng)反向達(dá)到最大時(shí)破裂，由于破裂而產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊將物體表面的污垢撞擊下來(lái)。通常 p≥。因此，我國(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。超聲波技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成的。產(chǎn)生超聲波的裝置有機(jī)械型超聲發(fā)生器（例如氣哨、汽笛和液哨等）、利用 電磁感應(yīng) 和電磁作用原理制成的電動(dòng)超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)和鐵磁物質(zhì)的 磁致伸縮 效應(yīng)制成的 電聲換能器 等 。 頻率高于 210 千赫茲的聲波。微粒間這 種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。 空化作用 ── 當(dāng)超聲波在 介質(zhì)的傳播過(guò)程中，存在一個(gè)正負(fù)壓強(qiáng)的交變周期，在正壓相位時(shí)，超聲波對(duì)介質(zhì)分子擠壓，改變介質(zhì)原來(lái)的密度，使其增大；在負(fù)壓相位時(shí)，使介質(zhì)分子稀疏，進(jìn)一步離散，介質(zhì)的密度減小，當(dāng)用只夠大振幅的超聲波作用于液體介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)分子間的平均距離會(huì)超過(guò)使液體介質(zhì)保持不變的臨界分子距離， 液體 介質(zhì)就會(huì)發(fā)生斷裂，形成微泡。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。功率特性 ── 當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的 微粒 往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。但是超聲波的波長(zhǎng)很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間 t，由此便可計(jì)算出距離。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離，并由單片機(jī)控制顯示出來(lái)。一旦有高電平輸出，即在模塊中經(jīng)過(guò)放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。 汽車行進(jìn)時(shí) LED顯示環(huán)境溫度，當(dāng)?shù)管嚂r(shí)，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過(guò)AT89C51 數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到 LED 上，如果距離小于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路會(huì)鳴叫，提醒司機(jī)注意車距。 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(cè) 距 儀 的硬件 電 路和 軟 件 設(shè)計(jì) 方法。這樣可以在視覺(jué)有限或不宜用眼觀察的情況下發(fā)揮更大的用處，或近距離配合視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)此測(cè)距儀的優(yōu)點(diǎn)或方便之處得到最大程度的發(fā)揮，使用起來(lái)非常的靈活方便。通過(guò)單片機(jī)編程將內(nèi)部計(jì)數(shù)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為距離信息，通過(guò) 3位 LED 數(shù)碼管顯示，數(shù)據(jù) XXX，單位 cm。 由于放大電路輸出的信號(hào)是連續(xù)的正弦波疊加信號(hào)，而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號(hào)常為下降沿脈沖信號(hào)，故信號(hào)在放大電路后通過(guò) LM393 構(gòu)成的比較電路，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入，使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號(hào)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。 從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來(lái)的超聲回波很微弱 (幾十 個(gè) mV 級(jí) )，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。 圖 1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖 發(fā)射電路采用單片機(jī) 端口編程輸出 40kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開(kāi)啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器 TO。本節(jié)在此基礎(chǔ)上就如何具體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過(guò)采樣獲取到超聲波的傳. . 播時(shí)間，用軟件來(lái)計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)距補(bǔ)償，其測(cè)量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測(cè)量距離就可以解決這些問(wèn)題，因此超聲波測(cè)量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探 測(cè)量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 在基于傳統(tǒng)的測(cè)力距離存在不可克服的缺陷。系 統(tǒng) 定 時(shí)發(fā) 射超聲波，在啟 動(dòng)發(fā) 射 電 路的同時(shí) 啟 動(dòng)單 片機(jī)內(nèi)部的定 時(shí) 器，利用定 時(shí) 器的 計(jì) 數(shù)功能 記錄 超聲波 發(fā) 射的 時(shí)間 和收到反射波的 時(shí)間 。 本系 統(tǒng) 利用 單 片機(jī)控制超聲波的 發(fā) 射和 對(duì) 超聲波自 發(fā) 射至接收往返 時(shí)間 的 計(jì)時(shí) 。 通 過(guò) 超聲波 發(fā) 射器向某一方向 發(fā) 射超聲波， 單 片機(jī)在 發(fā) 射 時(shí) 刻同 時(shí)開(kāi) 始 計(jì)時(shí) ，超聲波在空氣中 傳 播，途中碰到障礙物就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止 計(jì)時(shí) 。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)用將越來(lái)越廣。 特別是在海洋勘測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。與 其他 測(cè)距方法相比 ， 超聲波 測(cè)距方法有其自己的特點(diǎn)： (1) 相對(duì)于聲波，超聲波具有定向性好、能量集中、在 傳輸過(guò)程中的衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩 ， 傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一 ， 縱向分辨率較高 。自物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法， 從此超聲波技術(shù)得到廣泛運(yùn)用 。 隨著科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，自動(dòng)測(cè)量技術(shù)不斷更新，非接觸式測(cè)量技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。超聲波是指頻率在 20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。 Silent Wave； Measure Distance . . 目錄 ................................................................... 1 課題背景及重要意義 .................................................. 1 國(guó)內(nèi)超聲檢測(cè)發(fā)展綜述 ................................................ 2 超聲波測(cè)距存在的問(wèn)題與課題的意義 ...................