【正文】 地聲速對(duì)測(cè)量精度的影響分析………………………………35 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………36第六章 結(jié)束語(yǔ)……………………………………………………………………………………..38參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………39致謝…………………………………………………………………………………………………40附錄…………………………………………………………………………………………………41第一章 緒論 選題背景及意義超聲波測(cè)距是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，和激光、渦流和無(wú)線電測(cè)距方法相比，具有不受外界光及電磁場(chǎng)等因素的影響的優(yōu)點(diǎn)，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，因此在工業(yè)控制、建筑測(cè)量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)，測(cè)距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)問(wèn)題。超聲波測(cè)距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。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(chē)之間的距離。本文結(jié)合超聲波精確測(cè)距的需要，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，分析了影響超聲測(cè)距精確度的多種因素，來(lái)有效提高測(cè)距系統(tǒng)的精度。而我國(guó)于1956年開(kāi)始超聲的大規(guī)模研究。超聲波測(cè)距與定位技術(shù)是關(guān)于聲學(xué)以及儀器科學(xué)的綜合性大學(xué)科，由超聲波換能器、超聲波發(fā)射和接收電路、控制電路等組成了利用超聲波來(lái)測(cè)量距離值。.[1]提出了三維的仿生聲納系統(tǒng)，系統(tǒng)可以利用超聲波自動(dòng)的尋找被測(cè)目標(biāo)物體。發(fā)射超聲波的換能器安裝在十字架交叉點(diǎn)，有四個(gè)換能器用來(lái)接收超聲波共分別安裝在十字架的邊緣位置上。[2]研制了專(zhuān)門(mén)為盲人服務(wù)的超聲測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用微處理器的作為主控制芯片，回波包絡(luò)采用特殊的發(fā)射波形來(lái)獲得，設(shè)置一定的回波閾值電平采用自動(dòng)增益的控制放大器放大回波波形，這些措施有效的提高超聲波的探測(cè)精度。[4]的文章是利用峰值出現(xiàn)的時(shí)刻來(lái)估算出信號(hào)的傳播時(shí)間，從而提出相關(guān)估計(jì)法，這個(gè)方法又叫做通過(guò)匹配的方式來(lái)得到結(jié)果，在這里主要用到了返回波信號(hào)的幅值與形狀。[5]受蝙蝠在夜空中捕食啟發(fā)，提出了一種具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的自適應(yīng)超聲成像聚焦系統(tǒng)，對(duì)超聲成像中圖象畸變的消除有重要價(jià)值，提高超聲圖像的分辨率通過(guò)使用重疊的頻率調(diào)制信號(hào)?；纠碚摶A(chǔ)是使用時(shí)間和頻率信息并且通過(guò)改進(jìn)的算法來(lái)解決頻域中的合成干涉圖，因此該超聲成像系統(tǒng)在三維空間有高分辨率的特點(diǎn)。同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)了基于偽隨機(jī)碼的時(shí)延兩步相關(guān)估計(jì)法[6]。引入PRBS還節(jié)約了用于計(jì)算互相關(guān)函數(shù)通常所必需的乘法。借助于數(shù)學(xué)分析闡述了PRBS的生成，特點(diǎn)和參數(shù)選擇。通過(guò)用模擬的噪聲信號(hào)進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量裝置具有很強(qiáng)的抗干擾能力。粗測(cè)距先大概估測(cè)測(cè)距范圍，具體的操作是先發(fā)送一串超聲波，回波信號(hào)在控制器計(jì)算分析處理。精測(cè)距是在此基礎(chǔ)之上控制器發(fā)送另一串超聲波，按照在粗測(cè)距中設(shè)定的閡值，精測(cè)距中的回波前沿被捕捉，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距目的。這樣，把遠(yuǎn)程測(cè)距與近程測(cè)距分開(kāi)進(jìn)行，就可以克服測(cè)距范圍與測(cè)距精度之間的固有矛盾。西北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用擴(kuò)頻原理設(shè)計(jì)了一種液位測(cè)量系統(tǒng)，可控聲源被使用在其中[9]。國(guó)內(nèi)外的研究成果使得超聲波檢測(cè)的精度得到了提高，這些處理方法都得到了很好的效果。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。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。采用AT89S52來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子模塊的控制。軟件部分主要有主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序。第二章 超聲測(cè)距技術(shù)方案分析 超聲與超聲的特性聲音是與人類(lèi)生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。 人的聽(tīng)覺(jué)范圍 超聲波的特性有：（1）束射特性由于超聲波的波長(zhǎng)短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。（2）吸收特性聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，這是因?yàn)榻橘|(zhì)要吸收掉它的部分能量。對(duì)于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的。為什么有這么強(qiáng)大的功率呢。頻率愈高速度愈大。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話(huà)來(lái)說(shuō)，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。由于聲波振動(dòng)引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用[12]。超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理是利用某種待測(cè)的非聲量(如密度、濃度、強(qiáng)度、彈性、硬度、粘度、溫度、流量、液位、厚度、缺陷等)之間存在著的直接或間接的關(guān)系，在確定了這些關(guān)系之后就可通過(guò)測(cè)定這些超聲物理量來(lái)測(cè)出待測(cè)的非聲量。超聲波具有與電磁波相似的一面，同時(shí)又有其自身的一些特點(diǎn):(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(guò)的金屬、生物體中傳播，是探測(cè)物質(zhì)內(nèi)部的有效手段。、聲阻抗和衰減常數(shù)的影響大，所以，反過(guò)來(lái)可由超聲波傳播的情況測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài)。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器，或者超聲波探頭。超聲換能器的種類(lèi)很多，按照實(shí)現(xiàn)超聲換能器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動(dòng)式、電磁式、壓電式和電鐵伸縮式等。 超聲波換能器TCT40－16套件實(shí)物組（T為發(fā)射，R為接收）壓電換能器的發(fā)展和應(yīng)用是以壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和壓電材料的發(fā)展為前提條件的，1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)了晶體的壓電效應(yīng)，但直到電子管放大器的發(fā)明，壓電材料的壓電效應(yīng)才真正用于電聲轉(zhuǎn)換上來(lái)。在朗之萬(wàn)發(fā)明的換能器中，壓電石英片被夾在兩塊厚鋼板中，后來(lái)這種換能器被廣泛應(yīng)用于超聲探測(cè)儀中。同時(shí)，由于壓電換能器作為高頻聲源的出現(xiàn)，使得高頻聲的研究成為現(xiàn)實(shí)，而聲學(xué)的應(yīng)用也被迅速地?cái)U(kuò)展，一個(gè)重要的聲學(xué)分支—超聲學(xué)迅速發(fā)展起來(lái)，并得到了越來(lái)越多的重視。(1)逆壓電效應(yīng)將具有逆壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)作用介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生位置變化，這種位置變化在宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生了形變，形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。這一現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。將適當(dāng)?shù)慕蛔冸娦盘?hào)施加到晶體上，晶體將發(fā)生交替的壓縮和拉伸，因而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率與交變電壓的頻率相同，若把晶體禍合到彈性介質(zhì)中，晶體將充當(dāng)一個(gè)超聲源的作用，超聲波將被輻射到那種介質(zhì)中。利用正壓電效應(yīng)將機(jī)械能(即聲能轉(zhuǎn)換成電能，接受超聲波的裝置，稱(chēng)為接收換能器。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu):超聲波發(fā)生器是一個(gè)超聲頻電子振蕩器，當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到超聲換能器的壓電陶瓷上時(shí)，壓電陶瓷組件就在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生縱振動(dòng)。其關(guān)鍵技術(shù)是使超聲波聲束變細(xì)，除待測(cè)物體外不受其它構(gòu)造物的影響。相鄰兩片的壓電陶瓷片極化方向相反，芯片的數(shù)目成偶數(shù)，以使前后金屬蓋板或殼體與同一極性的電極相連，否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不必要的增大。芯片，電極銅片用強(qiáng)力膠膠合。在電一聲變換部分的前面的超聲波束整形板，是對(duì)應(yīng)圓錐狀諧振子的振動(dòng)模式設(shè)置的幾個(gè)開(kāi)口。通過(guò)上述超聲換能結(jié)構(gòu)，配以適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)電路，可以使超聲能量的定向傳輸，并按預(yù)期接收反射波，實(shí)現(xiàn)超聲遙控、測(cè)距、防盜等檢測(cè)功能。通用型超聲波傳感器的頻帶窄，但是靈敏度較高，抗干擾性強(qiáng)。在多通道通信使用時(shí)器件比較多，使用不方便，采用寬頻帶傳感器較為方便。(2)寬帶型超聲波傳感器寬帶型超聲波傳感器在工作帶寬內(nèi)具有二個(gè)諧振頻率，即具有二個(gè)諧振點(diǎn)。寬帶傳感器具有兩個(gè)諧振頻率，其頻率特性就相當(dāng)于兩種傳感器的組合。 (3)密封型超聲波傳感器密封型超聲波傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可應(yīng)用于汽車(chē)后方檢測(cè)物體的裝置以及待時(shí)計(jì)算器等。 超聲波發(fā)射器 發(fā)射器的作用是形成與被檢測(cè)對(duì)象相作用的超聲波束，它的特性包括共振頻率、方向性、電聲變換效率、穩(wěn)定性等。超聲波發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括，反壓電效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)、動(dòng)電效應(yīng)、電磁效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)等，它恰好是上述超聲波接受的相反作用，所以從結(jié)構(gòu)上看，發(fā)射與接受呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)是與空氣的聲阻抗匹配良好，頻帶寬。電致伸縮型微音器的接收器用反壓電效應(yīng)大的電介質(zhì)板作為接收器。在壓電膜上制作梳狀電極，可以構(gòu)成檢測(cè)超高頻段的聲表面波的傳感器。電磁效應(yīng)型接收器的結(jié)構(gòu)是將磁性受音板作為磁路的一部分，在磁路中設(shè)置拾音線圈?；诜创胖律炜s效應(yīng)的超聲波接受器的構(gòu)造主要有用磁致伸縮材料構(gòu)成的線圈狀結(jié)構(gòu)，使用于低頻；還有用磁致伸縮材料涂敷在物體表面上形成的結(jié)構(gòu)，適用于高頻，前者檢測(cè)感應(yīng)電流；后者檢測(cè)置于靜磁場(chǎng)空腔諧振器內(nèi)，因超聲波導(dǎo)致磁阻致伸縮效應(yīng)引起的微波磁場(chǎng)。 超聲測(cè)距原理[14] 超聲測(cè)距原理最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，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)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。 t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間.將（）、（）代入（）中得： 其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30時(shí),V=349m/s)。 超聲波測(cè)量中盲區(qū)及近限和遠(yuǎn)限用脈沖回波法測(cè)量距離時(shí)，障礙物與超聲波探頭間的距離既不能太遠(yuǎn)也不能太近，存在著距離測(cè)量的近限和遠(yuǎn)限。在距離過(guò)近時(shí)，接收信號(hào)將落進(jìn)盲區(qū)中而無(wú)法分辨出來(lái)，這是近限所以存在的原因。同時(shí)，探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近處的液面反射信號(hào)也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。同時(shí)，接收信號(hào)的衰減程度總是要比發(fā)射信號(hào)余振的衰減慢得多。這就構(gòu)成了遠(yuǎn)限的問(wèn)題。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說(shuō)，可以沒(méi)有盲區(qū)。在本次設(shè)計(jì)中，選取雙探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時(shí)提高檢測(cè)的距離。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。通過(guò)對(duì)溫度修正來(lái)校正聲速的方法，即用測(cè)溫元件測(cè)量實(shí)際環(huán)境，根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系計(jì)算出測(cè)量時(shí)實(shí)際環(huán)境中的聲速。(2)采用自動(dòng)距離增益控制采用具有自動(dòng)增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時(shí)增益較大，這樣一方面發(fā)射信號(hào)的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間縮短，可以分出近處的接受回波信號(hào)，故可使盲區(qū)減少。(3)信噪比問(wèn)題超聲波測(cè)距儀都有確定的量程。這個(gè)閉值決定信噪比。而氣介式超聲回波測(cè)距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。 超聲測(cè)距系統(tǒng)的主要參數(shù). 傳感器的指向角傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，記為θ，它直接影響測(cè)量的分辨率。由 選f=40Khz時(shí)，λ=C/f=。指向角θ愈小，分辨率愈高，則要求傳感器半徑愈大。r=。傳感器的上作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。這樣傳感器方向性尖銳，且避開(kāi)了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。聲速隨溫度變化公式為[17]： 式中，T是溫度，將由溫度補(bǔ)償電路修正。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利，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。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(chēng)為阻塞。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。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端發(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。當(dāng)反射面離探頭愈來(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。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閩值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。另外，從圖中A點(diǎn)以后，接收信號(hào)才比發(fā)射信號(hào)大，但還將與發(fā)射信號(hào)相迭加，難以分辨從c點(diǎn)以后，發(fā)射信號(hào)低出閩值鱺，接收信號(hào)才基本擺脫發(fā)射信號(hào)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。因此，cb為可測(cè)距范圍。第三章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 概述本章以及下一章將詳細(xì)介紹本次設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)。 硬件結(jié)構(gòu)圖 整體電路圖整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路，語(yǔ)音播報(bào)電路和溫度補(bǔ)償電路等幾部分模塊組成。顯示內(nèi)容包含當(dāng)前溫度值和所測(cè)距離。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。另外，AT89S52可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。21~28 p2 接口 高8位地址總線29: psen 片外rom選通端 單片機(jī)對(duì)片外rom操作時(shí) 29腳(psen)輸出低電平30:ALE/PROG 地址鎖存器31:EA/ROM取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取32~39:~40:電源+5V電路設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)正常工作時(shí)，都需要一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路來(lái)構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。外部始終是使用外部振蕩脈沖信號(hào)，常用于多片單片機(jī)同時(shí)工作，以便于同步。AT89S52內(nèi)部有一個(gè)可控制的負(fù)反饋反向大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。外接晶體以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。出于對(duì)測(cè)距精度的考慮，本設(shè)計(jì)采用12MHZ的晶體振蕩器[20]，c1和c2的電容值約為30PF。在RST端出現(xiàn)高電平