【正文】 非常適用于氣體和液體的介質(zhì)中。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同?？傮w上講，超聲波 換能 器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。另外超聲波在傳輸距離稍大時(shí)衰減很大，精度也隨之降低。但值得注意的是 ， 超聲波在空氣中傳播速度會(huì)隨介質(zhì)溫度的升高而增大 ， 氣溫每上升 1攝式度 ， 聲波速度增加 0. 6mPs。 這樣，在實(shí)際測(cè)量中，我們可以根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系作相應(yīng) 的溫度補(bǔ)償。超聲在一般流體媒質(zhì) (氣體、液體 )中的傳播理論已較成熟。也就是說，在聲擾動(dòng)下，氣體媒質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在各自平衡位置附近運(yùn)動(dòng)，形成稠密和稀疏依次交替的傳遞過程，而且，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向與聲波傳播的方向一致。 6 某種媒質(zhì)中的聲速主要取決于該媒質(zhì)的密度和溫度。其符號(hào)為 c，單 位為 m/s。從聲源發(fā)出的聲波向各個(gè)方向擴(kuò)散時(shí)，聲波可能被反射、折射、散射、衍射 、 干涉和吸收。因此你也可以接 收到來自物體內(nèi)部的信號(hào)，不過它是很細(xì)微的 。 目標(biāo)物體的組成成份也是一個(gè)因素。反射波的振幅與目標(biāo)物體上能 產(chǎn)生反射的表面成比例。 超聲聲速的計(jì)算 由于超聲 有很好的指向性，超聲在某種媒質(zhì)中的傳播速度較為恒定，因此 超聲最常用的功能是距離測(cè)量及定位。功率超聲則主要利用超聲的能量對(duì)物質(zhì)的作用，即利用超聲振動(dòng)產(chǎn)生的大功率、高強(qiáng)度超聲波，來改變物質(zhì)的性質(zhì)與狀態(tài)。如超聲測(cè)距、測(cè)厚、測(cè)物位、工業(yè)測(cè)井、工業(yè)無損探傷、測(cè)媒質(zhì)的流速、密度、 粘度、硬度等等。同時(shí)，當(dāng)超聲在媒質(zhì)中傳播時(shí)，由于聲波和媒質(zhì)之間的相互作用，使媒質(zhì)發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的變化，也出現(xiàn)一系列力學(xué)、光學(xué)、電、化學(xué)等超聲效應(yīng)因此，就超聲的物理機(jī)制和應(yīng)用目的來看，可大致分為檢測(cè)超聲和功率超聲。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷達(dá)、電子通信和成像技術(shù)等方面。產(chǎn)生和檢測(cè)超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。隨著軍事和國民經(jīng)濟(jì)各部門中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動(dòng)型、電磁力型、靜電型等多種超聲 換能器。 20世紀(jì)初，電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機(jī)電換能器。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。 超聲的發(fā)展史 超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。 頻率高于人類聽覺上限頻率 (約 20210Hz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。隨后，由于媒質(zhì)的反彈作用，該質(zhì)點(diǎn)及相鄰質(zhì)點(diǎn)又相繼返回其平衡位置，但因質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性，它們又在相反方向產(chǎn)生上述過程。按線性聲學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)聲波產(chǎn)生的物理過程做如下定性描述。 波是由某一點(diǎn)上開始的擾動(dòng)所引 起的 ,并按預(yù)定的方式傳輸或傳播到其他點(diǎn)上。在國外， 19世紀(jì)，聲學(xué)己成為具有現(xiàn)代意義的科學(xué)并發(fā)展到相當(dāng)高的水平。在科學(xué)史上，人們很久以前對(duì)聲音信號(hào)就有了認(rèn)識(shí)，聲學(xué)是最早發(fā)展的學(xué)科之一。比如要測(cè)量有毒或 有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。 由于超聲波指向性好 ,能力消耗緩慢 ,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn) ,因而超聲波經(jīng)常被用于距離的測(cè)量 ,利用超聲波檢測(cè)距離設(shè)計(jì)比較簡單 ,計(jì)算處理也比較簡單 ,并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到日常使用要求。由于超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控 制，因人類采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。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。例如，頁面測(cè)量就是一種距離測(cè)量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測(cè)頁面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。單片機(jī)程序使用 keil c51 設(shè)計(jì)并調(diào)試。軟件部分主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分組成。本 文闡述了儀 器 研制的理論基礎(chǔ)，介紹了具體的軟硬件設(shè)計(jì)以及相關(guān)情況。 本文主要研究了一種基于單片機(jī)微處理器的超聲波測(cè)距儀。 1 鄂 州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 系 別：電子電氣工程工程系 專 業(yè)： 電氣自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)： 2021 年 4 月 10 日 2 摘 要 我們?cè)O(shè)計(jì)的 智能 測(cè)距儀 采用超聲波測(cè)距， 超聲波測(cè)距在社會(huì)生活中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用如汽車倒車?yán)走_(dá) 、 航海、宇航、石油化工 等工業(yè)領(lǐng)域。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。 該儀 器 以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測(cè)量待測(cè)距離。 該系統(tǒng)的硬件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè) 接收電路、 鳴響電路 、 電源電路五 部分組成。 利用單片機(jī) AT89S52 對(duì)超聲波接收信號(hào)進(jìn)行處理（通過一定的算法），并將它顯示到 LED 上。 關(guān)鍵詞 ： 超聲波 ；測(cè)距系統(tǒng)；單片機(jī)； CX20216A 3 1 引言 一些傳統(tǒng)的距離測(cè)量方式在某些特殊場(chǎng)合存在不可克服的缺陷。利用超聲波測(cè)量就可以解決這些問題。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。 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。超聲波測(cè)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(cè)量的方法。 超聲波測(cè)距在某些場(chǎng)合有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@種方法是利用計(jì)算超聲波在被測(cè)物體和超聲波探頭之間的傳輸來測(cè)量距離的，因此它是一種非接觸式的測(cè)量所以它就能夠在某些特定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。 2概述 4 超聲與超聲的應(yīng)用 超聲的產(chǎn)生 我們生活的世界充滿了各種可聽的聲信號(hào)。我國兩千多年前的先秦時(shí)期，在樂律和樂器的研究方面，對(duì)聲學(xué)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。然而由于超聲是人耳聽不到的信號(hào)，直到 18世紀(jì)，人們?cè)谘芯框?、海豚等?dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界中存在超聲。聲波是一種彈性機(jī)械波，即機(jī)械振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中的傳播。連續(xù)彈性媒質(zhì)可以看作是由許多彼此緊密相連的質(zhì)點(diǎn)組成，當(dāng)彈性媒質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)受到某種擾動(dòng)時(shí)，此質(zhì)點(diǎn)便產(chǎn)生偏離其平衡位置的運(yùn)動(dòng)，這一運(yùn)動(dòng)勢(shì)必推動(dòng)與其相鄰質(zhì)點(diǎn)也開始運(yùn)動(dòng)。如此，媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)相繼在各自的平衡位置附近往返運(yùn)動(dòng)，便將擾動(dòng)以波動(dòng)的形式傳播到周圍更遠(yuǎn)的媒質(zhì) 中去，形成聲波 。 現(xiàn)代聲學(xué)已經(jīng)涵蓋了從 1 1410 10? ～ Hz的頻率范圍，相當(dāng)于從大約 3小時(shí)振動(dòng)一次的次聲到波長短于固體中原子間距的分子熱振動(dòng)，即跨越了 1810 量級(jí)的寬廣頻段。 1883年 Galton首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng) 形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲。山于這類換能器成本低，所以經(jīng)過不斷改進(jìn)，至今仍廣泛地用于對(duì)流體媒質(zhì)的超聲處理技術(shù)中。 1917年，法國物理學(xué)家朗之萬 (Paul Langevin)用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應(yīng)用于水下探測(cè)潛艇。 材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用最廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機(jī)電禍合系數(shù)高、價(jià)格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電薄膜 (PVDF)等。 5 產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴(kuò)大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。 超聲的分類 利用超聲波易于獲得指向性極好的定向聲束，超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射散射等傳播規(guī)律與可聽聲波并無質(zhì)的區(qū)別 ，超聲在一般流體媒質(zhì) (氣體、液體 )中的傳播理論已較成熟。 檢測(cè)超聲 主要是利用超聲的信息載體作用，即通過超聲在媒質(zhì)中的傳播、 吸收、波形轉(zhuǎn)換等，提取反映媒質(zhì)本身特性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，達(dá)到檢測(cè)媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的。廣義的說，醫(yī)學(xué)上以人體為檢測(cè)對(duì)象的超聲醫(yī)學(xué)診斷，如超聲顯微鏡、超聲成像，以海洋探測(cè)及水下目標(biāo)識(shí)別為目的的水聲應(yīng)用等，也歸于此類。如超聲清洗、焊接、加工、粉碎、促進(jìn)化學(xué)或生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)等。 假設(shè)超聲波通過的媒質(zhì)是空氣，任何物體都能反射、吸收、折射一部分通過 它自身的 聲波，其比例依賴于物體自身的均衡度。表面尺寸、形狀、方位是影響反射波強(qiáng)度的主要因素。一部分聲波發(fā)射到達(dá)物體表面后被反射，一 部分則進(jìn)入物體，在物質(zhì)中傳輸，最終被遇到的物體界面反射。 聲波傳播涉及能量經(jīng)過空間的傳遞。 聲波的傳輸需要一種媒質(zhì)，聲波在媒質(zhì)中的傳播的速度，稱為聲速。由聲波產(chǎn)生的物理過程可知，聲速與質(zhì)點(diǎn)速度是完全不同的，聲波的傳播只是擾動(dòng)形式和能量的傳遞，并不把在各自平衡位置附近振動(dòng)的媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)傳走。 由于氣體沒有剪切彈性，只有體積彈性，因而氣體中的聲波的傳播形式只能是縱波。 聲速在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)不隨頻率發(fā)生變化，也就是說超聲的傳播速度與可聽聲波的傳播速度是相同的，超聲波在媒 質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律與可聽聲波的并無質(zhì)的區(qū)別，與一般聲波相比，超聲具有更好的定向性，并且可以穿透不透明物質(zhì)。 可知， 超聲波在空氣中的傳播速度為： ? ?3 3 1 .4 0 .6 1 /c T m s?? （ ） 其中 T 為環(huán)境溫度。 使用超聲波和使用激光測(cè)距的比較 基于以上介紹的超聲波的特點(diǎn)不難區(qū)分它們 的各自的適用場(chǎng)合，激光測(cè)距主要用于遠(yuǎn)程，如測(cè)月球到地球距離，或遠(yuǎn)距離無障礙測(cè)距，而且成本要比用超聲波大，因?yàn)楣馑贋?3 10^8M/S，而一般市場(chǎng)上的單片機(jī)最高頻率在十幾至幾十兆，如果測(cè)量的距離在十米左右，那么假設(shè)單片機(jī)別的都不做只是計(jì)數(shù)，出射光將在大約，要求單片機(jī) CLK為 1/，也就是說 30M時(shí)鐘頻率的單片機(jī)剛發(fā)出出射激光的命令，光就已經(jīng)在它的下個(gè) CLK脈沖來到了，更別提計(jì)數(shù)了，即使使用頻率很高的單片機(jī)或其他器件如 FPGA等在精度上將不能滿足需要（通常在收發(fā)間隔中得到的計(jì)數(shù) 脈沖越多精度越高）。所以在測(cè)量中要考慮溫度變化的因素 ， 進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正 ， 減少測(cè)量誤差。 超聲波換能器的介紹 超聲波換能器的分類 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(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。 7 超聲波換能器的基本原理 1．基本原理 超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。我們知道，在壓電陶瓷片上加有大小和方向不斷變化的變流電壓時(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，是外加電壓的大小和方向成正比的。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)械波，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械的變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的信號(hào)。在上下層間施加交流電壓時(shí)，若上片的電場(chǎng)與極化方向相同，則下面的方向相反。 圖 22是雙壓電晶片的等效電路 圖 22是雙壓電晶片的等效電路。 Rm 為損耗串聯(lián)電阻。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 超聲波換能器的基 本構(gòu)造 目前較為常用的是壓電式超聲波 換能 器。超聲波換能器內(nèi)部就夠如圖 23所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器再結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為 40KHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成 40KHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。 超聲波發(fā)生 /接收器的外形和通常的駐極體話筒差不多，如果發(fā)生接收是分開的兩個(gè)在安裝過程中要注意它們之間的距離大概在 3— 5CM，否則過于靠近易產(chǎn)生干擾 。 超聲波測(cè)距電路原理 由于超聲波發(fā)射與接收器件所具有的固有頻率特性，使超聲波測(cè)距系統(tǒng)可部分采用選頻電路，這具有很高的抗干擾性能。在多通道超聲波檢測(cè)系統(tǒng)中，一般采用碼分制。 2．多通道超聲波檢測(cè)電路 超聲波多通道檢測(cè)電路一般采用碼分制，圖 25 是碼分制超聲波電路的原理圖?？偠灾?，超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā) 10 射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t,