【正文】 (215) 超聲波換能器的工作效率為 : 011RRR??? (216) 可見，在有負(fù)載時(shí)，負(fù)載的阻值關(guān)系到超聲波換能器的工作效率，阻值越大，工作效率越高，反之，越低。 c mR 0R mABC 0L m 圖 雙壓電品片等效電路 超聲波傳感器的機(jī)械能用 Qm 表示，電能用 Qe表示。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 [9]。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。 C0靜電電容， R聯(lián)電阻， Cm和 Lm 為機(jī)械共振回路的電容和電感， Rm為陶瓷材料介電損耗并為損耗串聯(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) [8]。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)襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁 6 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)。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。 (2)正壓電效應(yīng) 當(dāng)對(duì)某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波。如電場反向，則形變亦相反。因此，用這種材料可以制成超聲波傳感器。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。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯(cuò)欽酸鉛，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 [6]。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲波傳感器的結(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)慣上都把超聲波傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛” [5]。電聲型主要有 :壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁 5 靜電傳感器。 超聲波傳感器 (也稱作超聲波換能器 )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。 聲波在真空中不能進(jìn)行傳播，必須通過氣體、液 體、固體或者三者的組合體作為介質(zhì)才能傳播。聲波作用于物體時(shí)，物體的分子也要隨著運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運(yùn)動(dòng)速度越快，物體獲得的能量正比于分子運(yùn)動(dòng)速度的平方。 (3)、能夠產(chǎn)生窄的脈沖，為了提高探測精度和分辨率，要求探測信號(hào)的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是波長的幾倍 (如要產(chǎn)生更窄的脈沖在技術(shù)上是有困難的 )，超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號(hào)發(fā)生器 。在傳播中，超聲波的速度與聲波相同 。根據(jù)振動(dòng)所產(chǎn)生波的頻率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于 20kHz 的聲波稱為超聲波。 3)由于傳播時(shí)受介質(zhì)聲速、聲阻抗和衰減常數(shù)的影響大，所以，反過來可由超聲波傳播的情況測量物質(zhì)的狀態(tài) [3]。 超聲波除了具有與電磁波相似的一面外 ，同時(shí)還具有其自身的一些特點(diǎn) : 1)能以各式各樣的傳播模式 (縱波、橫波、表面波、薄板波 )在氣體、液體、固體或它們的混合物等各種媒質(zhì)中傳播，也可在光不能通過的金屬、生物體中傳播，是探測物質(zhì)內(nèi)部的有效手段。它的物理意義是 :在 1/α長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的 e分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。在空氣里， a = 2x1013s2 /cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率 f=40kHz(超聲波 )代入式 (23)可得 , α =，即 1/α =3lm。超聲波在相同的傳播媒體里 (如大氣條件 )傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致，是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法與電磁波是類似的 : )c o s ()( kxwtxAA ?? (21) axeAxA ?? 0)( (22) 式中， A(x)為振幅， A0為常數(shù)， w 為圓頻率， t 為時(shí)間， x 為傳播距離， ??2?K 為波數(shù)， A 為波長， a為衰減系數(shù)。一般而言是指聲音超過了 20kHz 以上時(shí)稱之為超聲波。尤其是超聲波傳感器是超聲波測距系統(tǒng)的重要部件，用于超聲波的發(fā)射和接收，所以超聲傳感器的工作原理也是整個(gè)測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 ，這些將是本章討論的重點(diǎn)。特別是在空氣測距中，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高。 (3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。 超聲波方法在某些方面具有突出的優(yōu)點(diǎn) [2]: (1)超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體 (如玻璃、拋光體 )。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電 開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。 利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波 (20kHz 以上的機(jī)械波 )，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機(jī)械型超聲換能器。 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁 2 超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。高智能化檢測儀器只能滿足檢測條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測試內(nèi)容等基本情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。 目前，計(jì)算機(jī)市場價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，實(shí)際上 是最大的節(jié)約。 1978 年 10月，中國建筑科學(xué)院研制出 JC2 型便攜式超聲波檢測儀。從此，無損檢測技術(shù)開始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。五十年代末六十年代初，國內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。 這些年來，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。 一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于 1876 年 的氣哨實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，這與數(shù)十年來多方的重視和廣大從業(yè)人員的艱辛努力是分不開的，由于他們的努力使無損檢測技術(shù)在這方面已具有一定的水平，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，無損檢測在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，研制，使用部門已被卓有成效的運(yùn)用。 關(guān)鍵字 :超聲波，測距，測量精度 THE STUDY AND APPLICATION OF DISTANCEMEASUREMENT SYSTEM BASED ON ULTRASONIC WAVE ABSTRACT: This paper primarily investigates a kind of ultrasonic distance measurement device based on microprocessor. This device can measure certain distance with reflected wave on condition that the speed of transmitting wave is fixed. It generally specifies the theoretical foundation of the device, introduces the software and hardware design of the device and correlative experiments. The design of the distance measurement is targeted on high precision and little blind area. Then it proposes the whole structure of the system by introducing the function of ultrasonic distance meter and presenting the theory and characters of ultrasonic sensor. And then the transmission, receiver, detection, display scheme of this distance meter system is brought out. At the same time, a number of main technical parameters are discussed. Key Words: ultrasonic,measuring distance, measurement accuracy 目 錄 第一章 緒論 ........................................................ 1 ........................................................... 1 ........................................... 1 ........................................... 2 第二章 超聲波測距技術(shù)綜述 .......................................... 3 ........................................................... 3 ..................................................... 3 ............................................. 4 ............................................... 4 波傳感器的原理及結(jié)構(gòu) ..................................... 4 ................................................... 7 第三章 超聲波測距系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì) .................................. 9 ........................................................... 9 ......................................... 9 ...................................... 10 .................................... 12 .......................................... 12 .......................................... 19 .................................................... 21 .................................................... 22 .................................................... 23 . AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng) ...................................... 24 ........................................ 27 ........................................ 27 .......................................... 28 第四章 結(jié)論及展望 ................................................ 32 參考文獻(xiàn) ...................................