（机械设计及理论专业论文）超声波测距仪的研制.pdf

湖北工业大学硕士学位论文矿7 ；z 二侈 摘要 本文利用超声波在空气中可传播性，实时测得超声波在空气中的传播时间和传 播速度，在将时间和速度相乘即得距离的原理，设计了一个测距仪，输入是距离 和空气温度，输出是数字信号形式的距离值，提供给箱涵排污疏通机器人，使该 机器人实时得到距离。该测距仪可广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活， 无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。本文只是简 易设计，作为传感器功能提供机器人实时距离信息。 箱涵疏通排污机器人是用来疏通清理箱涵内淤泥及杂物的。目前，城市人口增 多、城市增容、污水排放量增大、箱涵淤泥沉淀等使箱涵排污功能减半，暴雨使 街道产生积水、因此造成城市给排水困难，影响市民的生活。箱涵疏通排污机器 人清理箱涵内淤泥等杂物，使箱涵排污功能发挥最大效用。 超声波测距仪实时测得机器人与箱涵涵壁的距离，将距离值传给机器人控制 系统，由机器人控制系统分析距离值，得知现场信息，控制自己的动力部分动作： 前进、后退、左转、右转。 该超声波测距仪系统是以a t e m l 公司生产的单片机a t 8 9 s 5 2 最小系统为基 础，兼之该公司另一产品a t 8 9 c 2 0 5 1 最小系统的测温系统相辅助，完成测距。本 文还对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、 微机接口、声学基础、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，研 制出超声波测距传感器的硬件部分，编写了相应的软件程序，并进行了调试和运 行。最后，为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰 措施。本文就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性，超声波发射，接收， 超声微弱信号放大，波形整形；速度变换及单片机控制信号运算相关数据的原理 等做了详细说明。研制出的超声波测距传感器可以实时将温度通过串口显示在p c 机或者其它显示设备上。 该测距仪最大测量距离是8 米，精确度是3 c m ，它具有成本低、非接触、速 度快、精度高、可靠性强、适应性好，操作方便、有着广泛的应用前景。 关键词：超声波，换能器，温度传感器，抗干扰 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep r o p a g a u o nc h a r a c t e ro fu l t r a s o n i ci na l r t h ed i s t a n c e rc a nr e a dt i m et h a t s p e n da n ds p e e dt h a tu l t r a s o n i cp r o p a g a t ei na i r , i tm u l t i p l i c i t i e st i m ea n ds p e e d ，t h e n g e t st h ed i s t a n c e t h ei n p u t i sd i s t a n c ea n da i rt e m p e r a t u r e ，t h eo u t p u ti sd i g i t a ld i s t a n c e ， t h e o u t p u ti st h ev e r yn e e df o rr o b o t n ed i s t a n c e rh a sb e e nu s e dw i d e l yi ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，m e d i c a li n s p e c t i o n ，a n dd a i l yl i f e s u c ha sa g v , r o b o t ，t e l e m e t e ll i q u i d l e v e lm e t e ga n ds oo n ，u l t r a s o n i ct e l e m e t e rs e n s o rw h i c hb e e ni n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i su s e do no n ek i n do fr o b o tw h i c hw o r k si nb o xc u l v e r t ；i te j e c t sa n d d r e d g e ss e w a g e o u ti n s t e a do fm a n ，t h er o b o tw i l lc o m ei n t ou s ew i t ht h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f c i t y , s e v e r a lr e a s o n sa sf o l l o w e dh e r e ：p e o p l ei sc r e a s i n g ，c i t yi sb e c o m i n gl a r g e r , c i t y r e l e a s e sm o r es e w a g e ，r a i n s t o r mm a k em o r ea c c u m u l a t e d w a t e r , s l u d g yd e p o s i t si nb o x c u l v e r tc u ti t sa b i l i t yo f b a i l i n gi nh a l f , s e w a g e i sb e c o m i n gh a r d e ra n dh a r d e rt od r a i n t h er o b o th e l p st h ec u l v e r t sw o r k i n ge f f i c i e n t l y i td o e sg o o dt ot h ec i t y s d r a i n a g e s y s t e m ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ec i t y sc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t t h eu l t r a s o n i ct e l e m e t e rs e n s o ro f f e r st h er o b o tt h ed i s t a n c ed a t at i m e l yt h a t b e t w e e nr o b o ta n db o xc u l v e r tw a l l r o b o tk n o w sw h e r ei ti sa n dw h a tt od on e x ts t e p ， h ec o m m a n d sh i s p o w e r t of o r w a r d ，b a c k w a r d ，l e f to r r i g h tb yg e t t i n ga n da n a l y z i n gt h e i n f o r m a t i o no f d i s t a n c ed a t a t h es t u d yo ft h es e n s o ri sb a s e do nc h i pm i c r o c o m p u t e r ：a t 8 9 s 5 2p r o d u c e db y a t e m la n dt h es m a l l e s tt e m p e r a t u r e t e s t i n gs y s t e mo f a n t h e rp r o d u c t ：a t 8 9 c 2 0 51t h a t p r o d u c e db y t h es a l n ec o m p a n y t h et h e s i sg i v e st h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f p o s s i b i l i t y o fu l t r a s o n i ct e l e m e t e ra n dt h ek n o w l e d g es u c ha ss i m u l a t e de l e c t r o n ，d i g i t a le l e c t r o n ， p e r s o n a lc o m p u t e ri n t e r f a c et e c h n o l o g y , a c o u s t i c sf o u n d a t i o na n ds u p e r s o n i ct r a n s d u c e r , u l t r a s o h i cp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n ds oo n t h et h e s i se x p l a i n e dh o wt om a k eo u t t h e s e n s o li n c l u d i n gh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dd e b u g g i n g e s p e c i a l l yd e t a i l e d t h e u l t r a s o n i c s p r e a d c h a r a c t e r i s t i c 、u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c s 、 u l t r a s o n i ce r a d i a t i o n 、u l t r a s o n i cr e c e i v e 、u l t r a s o n i cw e a ks i g n a l m a g n i f i c a t i o n 、 w a v e f o r m s h a p i n g 、v e l o c i t yt r a n s f o r m 、d i s t a n c ed a t a sa n a l y s i s ，a n dt e m p e r a t u r es y s t e m t h e t e m p e r a t u r es y s t e mt r a n s m i t st e m p e r a t u r et op c o ro t h e rs h o w i n g e q u i p m e n t s t h em a xd i s t a n c et h a tt h es e n s o rc a nd e t e c ti s8m t h em a xe r r o ri s3 c m ，t h es e n s o r h a sm a n ym e r i t ss u c ha sl o wc o s t ，n o n t o u c h i n g ，f a s t d e t e c t ，h i g hp r e c i s i o n g o o d r e l i a b i l i t y , e x c e l l e n ta d a p t a b i l i t y , a n do p e r a t e df a c i l e l y i th a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：s u p e r s o n i c t r a n s d u c e r t e m p e r a t u r es e n s o r ，a n t i - j a m m i n g 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景、意义、任务 1 课题背景 随着科技的发展，人民生活水平提高，城市建设发展加快，城市给排水系 统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因和城市建筑的许多不 可遇见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此， 经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水【l 】给人 们带来了困拢，因此箱涵的排污疏逶对大城市给排水系统污水治理 2 】、入们生 活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排污疏通移动机器人f 3 】 4 】的自动控制系 统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的 核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。 图1 1 箱涵截面图 通常箱涵如上图1 1 所示，一般城市箱涵宽约l o m ，两井盖相距2 0 0 m ，井 盖直径8 0 c m ，内潮湿、黑暗、有障气、多淤泥、甚至多树枝和碎石。因作业环 境特殊，故需采用具有疏通排污功能的机器人，即采用机器人下涵作业。要求 该机器人满足以下物理条件： ( 1 ) 船状，尺寸小，最宽处尺寸小于8 0 c m ，主要是舵机驱动，附带步进电 机做转向控制。( 2 ) 安装先进清污设备。 要求机器人具有以下功能： 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 不受光线影响，能在黑暗处作业：( 2 ) 能实时检测到未知障碍物，并能依据 障碍物大小，判别并控制自己迸退；( 3 ) 能在箱涵内自主按预定的折线行走并返回 ( 经过验证，此折线为最佳轨迹路径) 。如图1 2 1 0 米( 宽) 删来( 长) - t 图1 2 机器人在箱涵中行走路线 箱涵排污疏通机器人它是一种水上操作机器人，箱涵水下是淤泥，箱涵机 器人在水上行走，在机器人上安装淤泥抽取浑浊搅拌装置和浑水过滤装置，最 后达到箱涵淤泥排污疏通系统一体化。因箱涵内有瘴气、且环境复杂，机器人 上的自动控制系统显得尤为重要。此控制系统实时给机器人提供机器人在箱涵 中的位置信息【“，分析该信息，应变各种可能的因素，指导机器入避障、指导 机器人控制动力部分动作口1 等，如前进、后体、左转、右转等，以顺利的完成 作业。无需人工协作。该机器人原理类似与清洗机器入【5 。因此也在此课题中 分出这个子课题，即超声波测距仪的研制。它即是控制系统的航标灯。 2 课题来源 本课题来源于湖北省教育厅“箱涵排污疏通机器人及其控制系统的研发”的 发项目的子课题。 3 课题意义 超声波测距仪解决箱涵排污疏通机器人控制技术的难点。解决各大城市箱涵 排污疏通问题。现在全国各大中小城市中都有不同数量的箱涵存在，而且随着城 市的扩建，箱涵数量不断增加，但是为了让一些旧的箱涵依然起作用，为了给快 速增长的城市污水的排除缓解压力，超声波测距仪f 8 】研制显得迫在眉睫。箱涵排 污疏通机器人研制主要解决两个问题：( 1 ) 机器人的行走控制；( 2 ) 机器人的定 位。城市污水排放畅通与否关系城市的建设。非接触式的测量的超声波仪还可以 用在其它不便人工测量或者方便快捷方便测量方面，为生活中工作中提供不可 想象的便利。如液位仪，测量液体( 水位，油位) 的测量：如对于盲人，加一定 湖北工业大学硕士学位论文 的设备可以随时向盲人报告与墙面的的距离，向导作用；如无入驾驶汽车、引导 装置、民用房建中，测量建筑物之间的距离，各楼层到地面的距离等等。因为超 声波的测距不受光线的影响，所以应用较为广泛。 4 课题任务 研制出智能化的超声波测距仪。 要求最大测量距离：8 米；精度：5 c m 。 1 2 国内外超声波测距仪的现状 1 2 。1 国外测距仪的现状 国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步 向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子 技术及微机技术，结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。从国外测距仪表 发展的技术动向看，当前国外测距仪新技术普遍应用。普遍采用电子设计自动化 ( e d a ) 9 】、计算机辅助测试( c a t ) 、数字信号处理( d s p ) 、专用集成电路( a s i c ) 2 囊 表面贴装技术等。呈现出( 1 ) 智能化测距仪：( 2 ) 非接触测量方式的测距仪；( 3 ) 新原理的小型测距。 1 人工检尺 利用皮尺测量距离，这是至今仍然在全世界广泛使用的最简单方法，人工测量 1 勺精度一般，存在人为因素误差。 2 雷达测距仪 连续式微波测距仪 旧 这几年逐步推向市场。它通常采用调频雷达原理，利用 同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在发射点，向需要被测物面发射频率 调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播时间延迟，发射频率己改 变了。将两者信号混合处理，所得信号差频正比于发射点到被测物面之间的距离。 例如，测距仪作为液位仪时，荷兰e n r a f 公司的r 丑d a r 8 7 2 液位仪采用同步调频 脉冲技术，精度达1 2 m m ，1 9 9 5 年新推出的s m a r t r a d a r 雷达液位仪利用平面天线 技术( p a t ) 、高级数字信号处理技术( a d s p ) 和虚拟天线技术( v a t ) ，结合宽阵列线 湖北工业大学硕士学位论文 性平面天线，提高了信号纯净度，能够分析全反射谱，考虑假回波、蒸气影响和 其他因素，避免了由于墙壁反射干扰效应造成的精度损失，使测量精度可达士 i m m 。法国a u x t t r o l 公司的t a b 4 0 雷达液位仪采用多点平面天线技术，信号 是通过r s 4 8 5 传输，精度可达1 l m m o 德国k r o h n e 公司的b m 7 0 p 雷达液位计采用 h a r t 协议，精度可达11 1 1 r r t 。 3 激光测距仪 激光测距仪 i l l 的测量原理是用光波代替超声波。即传感器发射激光，照射被 测物面，接收反射光，将从发射至接收的时间换算成距离。激光光束是很窄，在 测距仪中通过光学系统转换成约2 0 r a m 宽光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反 射光也能被传感器接收。 4y 射线测距仪 该技术是基于，射线对不同物质产生不同衰减的理论，将放射源钻6 0 或艳1 3 7 臀于一个防护容器内，放在被测介质的侧( 此被测介质对y 射线有一定的衰减作 用) ，在介质的另一面，装有一个检测器，当y 射线穿透这个有一定厚度距离时， 它被衰减，其衰减率取决于被测介质的密度、吸收系数和厚度。介质厚度越大， 衰减越大，接收器将y 射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信号。 由于介质与y 射线衰减量是非线性关系，所以必须通过统计标定。y 射线测距特别 适用于传统测量仪表不能解决的测量问题，因为测量件没有任何部件与被测介质 相接触。e 十h 公司提出了一个“点放射棒探头接收”的概念，这样放射源被降 到最小，而且容易安装，目前该公司研制的f m g 6 7 1 ( 用于液位测量) 己用于过程控 制。 s 超声波测距仪 超声波测距仪【i 副是非接触测距仪中发展最快的一种。该技术基于超声波在空 气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。智能化的超声波测距仪带 订个功能很强的智能回波分析软件包。它可以将各种干扰过滤出来，识别多重 网波，分析信号强度和环境温度等有关信息，这样即便在有扰动条件下读数也基 本精确的。新型气密结构、耐腐蚀的超声换能器可测量高达1 2 m ，当超声波测距 仪用在液位测量时，e 十h 公司研制的p r o s o n i cf m u 8 6 0 8 6 1 8 6 2 超声液位仪精 度可达士o 2 ，f m u4 0 4 1 超声液位仪精度可达1 2 m m ，输出信号符合h a r t 协 议或p r o f i b u s 总线标准或f f 总线标准。下面两例其它公司产品，如图1 3 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 美国e h ss a f e t y , m s 一3 4 图1 3 左 测量范围：1 2 米 测量精度：+ 一1 + 1c m 测量时间：o 5 ，2 s e c ( 2 ) 美国a c c u t a p e i i m s - 3 3 图1 3 右 测量范围：o 5 m 1 5 m 测量精度：+ 1 工作温度：4 c 3 8 。c 图1 3 国外超声波测距仪 1 2 2 国内测距仪的现状 国内的早期的测距仪也是基于机械原理的，但是随着世界的电子技术的发展， 国内位移测距仪在各方面不甘落后，甚至在某一方面科技含量更高。 1 人工检尺 2 雷达测距仪 3 激光测距仪 举例激光测距仪技术参数：如图1 4 ( 1 ) 测程：7 5 k m ；( 2 ) 测距精度，5 m ( 3 ) 温度范围：- - 4 0 + 5 0 4y 射线测距仪 5 超声波测距仪仪 在国内有超声波测距仪，精度不高，而且用 于多方方向的测距仪也不多见。以下是几种超声 波测距仪。如图1 5 ( 1 ) 深圳莱德电子超声波测距仪，图1 5 左 测程：0 5 m 1 3 0 m 精度：( i c m + 0 5 距离) 温度补偿：0 3 8 分辨率：1 g i l l ( 2 ) 北京：友郯公司s o n i c t a p e 图1 5 右 图1 4 激光测距仪 图1 5 国内超声波测距仪 湖北工业大学硕士学位论文 测量范围：0 6 米一1 0 米 精确度：o 5 分辨率：o 0 1 米 总结： 综合国内外超声波测距仪，精度都不高，国内分辨率是l c m ，存在盲区，技 术保密。本文设计的测程较之前面所述的超声波测距仪稍短，但精确度高，误差 为4 - 3 e r a ，分辨率是l m m ，且没有盲区。在测量原理中，激光测距仪测程远，但 是在箱涵中，受光线影响不适宜采用激光原理测距。人工检尺方式不可能，雷达 造价高，射线需事先定性定量，因此，在箱涵中只能用超声波测距原理来设计测 距仪。 1 。3 超声波测距传感器的研究内容 本文的主要内容是先阐述课题背景、任务，目前国内外现状，后对超声波测 距的可行性进行了理论分析的基础上，利用计算机技术、电子技术、以及超声波 在介质中的传播特性等，研制出了超声波测距仪的硬件部分，编写了相应的软件 程序，并进行了调试和试运行。在硬件电路的设计中，针对超声波在传播时呈指 数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施， 扩大了测量的范围。在软件设计中，我们采用模块化程序设计思想，将软件分为 超声波驱动与数据处理模块，每个模块又由若干小模块组成。对软件的这种处理 不但能使软件的结构清晰，而且有利于软件的调试和修改。由于本设计对计算的 精度要求较高，所以采用c 5 1 编程，借助c 语言的浮点计算能力，提高计算精度。 另外，为了保证超声波测距仪工作的可靠性和稳定性，在软、硬件两个方面都采 取了相应的抗干扰措施。 最后给出了试验结果，分析误差，提出解决措施，得出结论。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章超声波测距仪测距原理及总体设计 2 1 超声波测距仪测距原理 2 1 1 测距原理 距离公式 1 3 1 ：距离( s ) = 时间( t ) 速度( v ) 。 在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。 利用超声波测时间方法有相位检测法 1 4 】、声波幅值检测法和渡越时间检测法 【”】等。相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射 波影响。本超声波测距仪采用渡越时间检测法。超声波测量原理图如图2 1 一s 斗 图2 1 超声波测距原理图 在超声波发射器两端输入1 0 个4 0 k h z 脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部 振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面，由被测面反射，出超声波 接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。传播的渡越时 间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。如图 2 ，1 所示，测量发射点到被测物面到接收点距离2 s ，超声波的传播速度约为 v = 3 4 4 m s ( 2 0 时) ，依据公式s = ( 1 2 ) v t ，得距离s 。 测渡越时间测量法： 1 直接计时法 每隔一定时间发射一串超声波脉冲( 一串l o 个、，在发射脉冲串时刻v 丌始单片 湖北工业大学硕士学位论文 机定时器计时，在超声波接收器接收到反射信号对刻，停止单片机t o 计时。单片 机定时器所计时间，即为传播渡越时间。超声波是一种声波，其声速与温度有关， v = 3 3 1 4 5 + 0 6 0 7t ，t 为摄氏温度，声速高低影响距离值。 2 相位法 测距仪由震荡电路发出一定频率变化的正弦波，由超声波换能器转换成声波。 发出的声波到达被测面，经被测面反射，超声波换能器接收端获得调制声波的回 波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的电信号，此电信号放大后 与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算 得所测距离。 假设震荡电路波形往返一个母危，则声波在被测的距离上往返一次需要的时 间t 为t = 审w 。该方法是一种相位测量方法 ”，但是由于相位测量存在以2 i 】为 周期的多值解，从而造成解的不确定性。为了消除这种不确定性，再引入通常的 包络检测来消除这种不确定性，从而实现高精度测距。发射二个频率不同的声波， 测定与这二个并发声对应的回波信号的相位，根据所测相位进行测距的一种高精 度的超声波测距方法。同时使用二个回波的相位以及包络信息，排除了以2 n 为周 期的相位上的不确定性。因此可以得到较高的测量精度。从相位检测角度来看。 测量二个不同频率信号的相位和包络相对比较简单快速。 2 1 2 超声波测距仪的理论分析 超声波是机械波，在介质中传播是受分质影嗨的，下面介绍超声波在空气介 质中的传播特点。声波概述如下【1 7 】f 1 8 1 ： 在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波的频率在2 0 h z 到2 0 0 0 0 h z 之间，就 能引起人的听觉。在这一频率范围内的振动称为声振动，声振动所激起的纵波称 为声波。频率高于2 0 0 0 0 h z 的机械波称为超声波，频率低于2 0 h z 的机械波称为次 声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传 播。电磁波的传播速度为3 1 0 8 m s ，超声波在空气中的传播速度约为3 4 0 r r v s ( 常 温f ) ，其速度与电磁波相差5 个等级。超声波在相同的传播媒质旱( 大气条件) 传 播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动方向与振动方向 放。 湖北工业大学硕士学位论文 超声波在实际介质中传播时，其能量将随距离的增大丽逐渐减小，称为衰减。 引起衰减的原因大致有三个： ( 1 ) 由声束扩展引起的衰减。 ( 2 ) 由散射引起的衰减。 ( 3 ) 由介质的吸收引起的衰减。 某一点x 瞬间所具有的压强，与没有声波存在时该点的静压强之差，称为该 点的声压( p ) 。我们把超声波传感器发出的超声波近似看成是平面波，其声压不随 传播距离变化，故忽略扩散衰减。由于超声波传播过程中所遇到的介质颗粒都比 较小( 大多为挥发性气体分子) ，散射衰减也可忽略。因此，我们只需讨论吸收衰 减。一束超声波( 视为平面波) 的声压可表示为： p = p o c o s ( t - - x u + 中) ( 2 1 ) 式中，p o 为声压振幅，p o ：pu a u ，p 为介质密度，轴的正方向，为超声波的 圆频率，u = 2 “，为震动频率：u 为介质中声速，巾为初相，与计时起点有 关。 声波波动方程如下： a = a ( x ) c o s ( f lk x )( 2 - 2 ) a ( x ) = a 胡( 2 - 3 ) 式中a 厶为x 处最大位移量，及振幅，a 。常数，为波源处振幅，u 圆频率，x 传播 距离，波源处x = 0 ，k = 2n ，t 为时间， 为波长，a 为衰减系数。 9 d = b f “ ( 2 4 ) 由于存在着吸收衰减，声波振幅随传播距离的增大而减小。由上式知，在空 气旱，介质常数b = 2 x1 0 s 。c m ，当振动的声波频率f = 4 0 k h z ，代入上式可得 q = 3 2 x1 0 。c m1 ，即1 a = 3 1 m ，物理意义是在3 1 m 长度上，衰减1 e 。依据 ( 2 3 ) 沿着波的传播方向1 0 m 处，x = 1 0 m 。 a a o - e 一0 0 3 2 x1 0 = e - 0 3 2 = 0 7 2 6 就是说声波传播出去1 0 m 后，振i 隔衰减了约1 4 。我们把单位时问内，通过垂直于 波的传播方向上单位面积的能量称为能流密度，能流密度的时间平均值，称为波 的强度，也叫声强( 记作i ) 。 湖北工业大学硕士学位论文 i = p “( 口c )( 2 5 ) 0 p c 为声特性阻抗，记作z = p c ，p 介质密度，c 声波在介质中的速度，i o c a 。那 么声波传播出去1o m 后，声强就衰减了约1 2 。这就要求在处理超声波接收器接 收到的信号时，采取多级放大的办法。 下面讨论波被反射、折射时的情况。波束垂直入射到两种介质的界面，当声 平面波垂直入射到声特性阻抗不同的两种介质的平界面时，入射波的能量 o 的一 部分进入介质i i 透射波能量为i t ，另一部分被界面反射仍在i 中传播，其能量为 i r 。 根据能量守恒定律i o - i 。+ i 声压反射系数r = p r p o = ( z 2 一z 1 ) ( z z + z 1 ) 声压透射系数t = p 。p 。= 2 z j ( z 2 + z 1 ) 声强反射系数r = i ，i 。= r 2 = ( z 2 - z t ) 。( z 2 + z 1 ) 。 声强透射系数t = i 。i 。= ( p t 2 2z 2 ) 2 ( p 0 2 2z 1 ) 2 = 4z lz 2 ( z l + z 2 ) 2 t = p c = 1 2 9 k g m 一3 x3 4 0 m s 一1 = 4 3 9 k g m 一2 s ， z 汽i 由= p 汽油c 汽= o 7 1 x 1 0 3 k g m 一3 1 4 0 0 m s 一1 = 9 8 0 x 1 0 3 k g m 一2 s 1 定性分析得： z 棍耻= p 昆泥土c 混泥土 z 汽油，因为p 混泥 p 汽，c 混月 c 空气 又 z l = z i 气，z 2 = z 汽油z 3 = z 混泥土 r m 女，= ( z ：一z ) ( z ：+ z 。) = ( 9 8 0 x1 0 3 4 3 9 ) ( 9 8 0x1 0 3 + 4 3 9 ) = 0 9 9 9 ，r 为 正值，说明入射波和反射波相位相同，反射波声压占入射波声压的9 9 9 。 定性分析得：r 馄坭! q r m = 0 9 9 9r l = ( z ，一zl ) ( z i + z ) r 说明入射波和反射波相位相同，反射波声压占入射波声压的大于9 9 。9 。以反射 面为油为例： t = 2 z j ( z 2 + z 1 ) = 2 9 8 0 1 0 。( 9 8 0 1 0 3 + 4 3 9 ) = 1 9 9 9 可见假如反射面为墙面，即混泥土t l = 2 7 3 ( z 3 + z 1 ) 丝2t l 为正值，入射波和透 射波相位相同，透射波具有入射波声压的2 0 0 ，透射声压大 r = r i ：= 【) 9 9 8 说明反射波与入射波的强度之比大于9 9 8 。 r = 4 9 8 0 1 0 4 4 3 9 ( 9 8 0 1 0 。+ 4 3 9 ) ! = o 0 0 17 9 湖北工业大学硕士学位论文 说明透射波与入射波的强度之比小于0 2 。 定性分析：声波被混泥土墙面反射，反射声强大于入射波声强的9 9 8 透射波声强小于入射波声强的0 2 ，即透射的波的能量很小，不足考虑。 结论： 由上述定性分析，超声波被混泥土等墙面反射，只需考虑反射波，不考虑透 射波。超声波方向性强，扩散少，多次被反射，但多次反射的反射波不易被超声 波接收器接收，可以不予考虑。折射波不会被接收，也不予考虑。 声波理论分析结论： 超声波在传播过程中存在能量损耗，波束多种路径传播，存在着多种干扰信 号，但接收器一般只能接收到被被测面垂直反射的信号，因为这个信号最强，因 此，也就滤掉了其它回波等干扰信号。使正确地接收正确信号成为可能。时间由 单片机定时器t o 得到。 超声波测距仪己经应用于某些领域，与传统的测距仪相比，它具有原理简单， 易于控制，且具有非接触测量、价格低廉等优点。超声波测距仪的接收器可能接 收到三种干扰信号： ( 1 ) 面反射的信号： ( 2 ) 侧面物体漫反射的信号； ( 3 ) 直达信号，即从超声波发射器直接接收信号。 当三种信号幅值足够大，放大后淹没了有用信号时，将会使处理器产生误解， 输出错误结果。因此，设计中需避免此类信号进入超声波接收器，或者进入接收 器后滤掉，或者处理器及时辨识，不予处理。处理方法在第六章抗干扰中介绍。 超声波测距仪理论分析结论： 剥用超声波传感器及设计的硬件电路，可以及时辨识有用的超声波回波信号， 利用单片机计时，得时间，时间与速度相乘，得距离。 利用超声波测距方便快捷有效，具有可行性。 湖北工业大学硕士学位论文 2 ，2 超声波传感器工作原理 2 2 1 超声波传感器基本结构及工作原理 利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优 点，在许多方面体现了独到之处。很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的 技术。近年来，超声波的波长范围己达g m 级，频率己扩大到g h z 领域，分辨率达 量级的超声波显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状， 与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。人们为研究和 应用超声波，已发明设计并制成了许多类型的超声波发生器：机械方式和电气方 式产生超声波发生器。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式 的能量转换成超声波的能量( 发射换能器来完成) 和使超声波的能量转换成其它易 于检测的能量( 接收换能器来完成) 。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式 类型包括：压电型、磁致伸缩型 1 9 1 和电动型等，机械式方式有：气流旋笛f 2 0 】、液 哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特 性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有 单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷 复合晶体( ( p z t - 4 ，p z t - 5 ) 等。 压电型超声波传感器的工作原理 超声波传感器【z 】一般采用双压电陶瓷品片制成。这种超声传感器需用的压电 材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。它是借助压电晶体的谐 振来工作的，即陶瓷的压电效应。其结构原理如图2 2 所示： 盘一 井戎 崔糙嘲吼 互屯函* j 谴 图2 2 超声波传感器内部结构图 湖北工业大学硕士学位论文 由图可见，超声波传感器是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金 属壳及金属网构成。其中，压电陶瓷品片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射 和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量 对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发 射与接收超声波。 超声波传感器有两块压电陶瓷晶片和一块共振板。当在两电极加交变脉冲信号 ( 触发脉冲) 时，若其频率等于晶片的固有频率，压电晶片就会发生共振，并带动 共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波 信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就 成了超声波接收器。 通过对此信号的分析处理，可实现各辩检测。压电陶瓷晶片有固有谐振频率， 即中心频率，发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频 率一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振 频率一致。这样，超声波发射器才有较高发射效率， 接收器才有较好接收灵敏度。 当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的 几何尺寸，就可非常方便地改变其固有谐振频率。 利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。用于 遥控的超声传感器的中心频率一般为4 0 k h z 。超声 波传感器用等效电路如图2 3 所示来分析共振频 率附近的超声波换能器的特性。图2 3 超声波传感器等效电路图 换能器的机械能用q 邢；电能用q e 表示。由图2 3 分析可知，q 恰好是电路的串 联支路的q 值。设换能器在空载( z l = o ) 和有载( z 1 = r i ) 时的q 值分别为q m 。q m ，则 口神= 皆= q m = 血r o + r i q 母= c o , “o r o 1 c l w o r o 。，。：!一 一c i 伽。( r o + r 1 ) q ，= c o u a ( r o + r ) ， 越声波换能器的工作效率为 r - ，3 i 了瓦 湖北工业大学硕士学位论文 r o 是空载时的电阻。可见，在有负载时，负载的阻值关系到超声波还能器的工 作效率。阻值越大，工作效率越高，反之，越低。 2 2 2 超声波传感器的工作方式 超声波传感器的外形及电路符号如图2 4 所示 ；。 尘溯j 帚媾j t 蛳毫曼符譬j 图2 4 超声波传感器外形图 超声波传感器的基本特性有频率特性和指向恃性。 1 频率特性 下图是超声波发射器的频率特性曲线。图中，o 为超声发射器的中心频率， 在，o 处，超声发射器所产生的超声机械波最强，也就是说在，o 处所产生的超声声 压能级最高。而在，o 两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射器一定要使用 非常接近中心频率，o 的交流电压来激励( 或称驱动) 。如图2 5 三 厂 0 -i ： t l i i l i , 图2 5 超声波发射传感器的发射频率特性 图2 5 是超声波接收器的频率特性。图中，o 也为中心频率。曲线在，o 处最尖锐， 输出电信号的幅度最大，即在so 处接收灵敏度最高。因此，超声波接收器具有很 湖北3 - 业大学硕士学位论文 好的频率选择特性，在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外，超声接收 器的频率特性曲线和输出端钋接电阻r 有很大关系，如果r 很大( 如大于l o o k q ) ， 频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果r 较小( 如小于 1 0k q l ，频率特性曲线变得平滑而具有放宽的带宽，同时灵敏度也随之降低。并 且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此， 器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。 超声接收器应与输入阻抗高的前置放大 如图2 6 图2 , 6 超声波接收器的频率特性 2 指向持性 实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成1 个振荡源，辐射出一个半球面波( 子波) ，这些子波没有指向性。但离开超声传感器 的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果( 衍射) ，却有指向性。指向特性用指向 图表示。下图2 7 是超声传感器的指向图。超声传感器的指向图是由一个主瓣和几 个副瓣构成，其物理意义是。一o o 时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超 声传感器的指向角一般为4 0 0 8 0 0 。 超声波传感器命名方法 图2 7 超声波传感器的指向特性 湖北工业大学硕士学位论文 1 4l r4 0sl 12345 l 外径：o ( m m ) 2 _ t r 一收发兼用t 发射r 一接收 3 中心频率：( k h z ) 4 类别：s 一双角度防水型d 一单角度防水型 5 产品顺序号：l 、2 、3 、4 、5 、 超声波传感器结构图如图2 。8 聚聚祭 1 i t r 4 0 s 11 4 t r 4 0 d 11 6 t r 4 0 s 11 6 t r 4 0 d 1 6 t r 4 0 d 21 8 t 1 1 4 0 d t 图2 8 超声波传感器结构图 产品特点： l 、灵敏度高、可靠性强、稳定性好。 2 、防尘耐湿、耐高低温、耐冲击、振动等严酷环境条件。 本文采用的超声波发射接收器：u c m - - t 4 0 k iu c m r 4 0 k i 2 3 超声波测距仪的总体设计 2 3 ，1 总体设计思想 超声波测距仪是根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射器发射超 声波，超声波接收器接收回波。铡出从超声波发射脉冲串时刻到接收回波信号时 刻募，超声波在同温同介质中的传输速度由测温系统得知，将时刻差与声速相乘， 僻 e 离，并显示。两方向轮流测距，软件处理；趣击波测距仪的总体设计框图 川劐二9 所示， 湖北工业大学硕士学位论文 图2 9超声波测距仪系统硬件分布结构图 超声波测距仅由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括a t 8 9 s 5 2 州单片机最 小系统、复位电路、超声波发射电路、超声波接收电路、静态显示电路、测温电 路等、换向通道选择部分、温度检测部分；软件部分。主要包括系统初始化模块、 超声波驱动及信号处理模块、换向模块及显示模块、喂狗模块、温度转换测量模 块。软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。为了提高系 统的稳定性，采用了一些抗干扰措施。如采用看门狗电路防止系统进入死循环， 对信号的处理采用了放大、滤波等措施。软件处理辅助各硬件部分工作。 2 3 2 工作过程 启动超声波测距仪测距时，工作过程如下： l 由单片机发出4 0 k h z 的脉冲串，每1 0 个脉冲为一串； 2 脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波； 3 单片机在发送脉冲的时刻开始计时； 4 超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的正弦波经 过两级放大； 5 再经过电压比较器，下降沿中断信号中断单片机的