S04多普勒超声测速实验.doc

关于多普勒超声测速实验误差的讨论引言本报告对多普勒超声测速实验的实验原理、过程进行详细的介绍，并对其中出现的数据误差进行了较详细分析，提出了减少误差的改进方法。一、实验原理1.1多普勒效应测速原理在无色散情况下，波在介质中的传播速度是恒定的，不会因波源运动而改变，也不会因观察者运动而改变。但当波源（或观察者）相对介质运动时，观察者所接收到的频率却可以改变。当我们站在铁路旁，有火车高速经过时，汽笛声会由高亢变得低沉，就是这个缘故。如果观察者运动，而火车静止，也有类似的现象。这种由于波源或观察者（或两者）相对介质运动而造成的观察者接收频率发生改变的现象，称为多普勒效应。 多普勒超声测速仪是一套综合性的超声测速仪器，该仪器利用多普勒频移效应实现对运动物体速度的测量，并可与光电方式测速进行比较。实验装置如图1所示，电机与超声头固定于导轨上面，小车可以由电机牵引沿导轨左右运动，超声发射头与接收头固定于导轨右端，若超声发射频率为f，接收回波频率为f，超声波在静止介质中传播速度为u，小车运动速度v（向右为正）。 图依据多普勒频移公式，回波频率、多普勒频移和小车运动的速度分别为： 由于电路中不能表征负频移（即不论靠近还是远离超声头f恒为正），所以在该系统中采用了标量表示（f不区分正负，v以靠近或远离超声头进行标识）。小车靠近超声头时速度公式：小车远离超声头时速度公式： 上面两个公式是进行测量的依据，在实验中，学生需要从示波器上相应波形读出f0与f，并由上面两个公式计算得到小车的运行速度，再与仪器自动测量值进行比较。1.2光电门测速原理 作为测量的参考，在实验中还采用了光电门测速以利于比较。光电门测速是一种比较通用的测速方法，图2是光电门的典型应用电路，发光二极管经过R1与VCC相连，导通并发出红外光。光电三极管在光照条件下可以导通。如果在发光二极管与光电三极管之间没有障碍物，发光二极管所发出的光能够使光电三极管导通，output输出端被拉至0电平，输出为低；如果中间有障碍物，光电三极管截止，output端被拉至1电平，输出为高。因此可以通过电平的高低变化，来判断是否被挡光，在本仪器中挡光片如图3所示：当作为运动物体的小车在通过光电门时，将发生二次挡光，根据output端产生的两个上升沿之间的时差和挡光片相应长度（1cm）可以计算出小车的运动速度。1.3实验系统原理框图图4为该仪器信号处理的原理框图，单片机（MCU）通过计时器（T/C）产生40KHZ方波，该方波通过低通滤波器后获得40KHZ正弦信号并耦合至发送换能器，发送换能器发出的超声波经小车反射后由接收换能器接收，此接收信号频率与运动物体频率符合多普勒频移关系，经过带通滤波器滤除噪声以后与发送波经模拟乘法器频率叠加后，产生差频和其余相关频谱，经过低通滤波器滤除噪声以后取出差频信号，该差频信号经过整形送至MCU处理，MCU根据测得频率计算出运动物体的运动速度。二、实验内容 2.1利用多普勒测速仪测量运动物体通过光电门处的速度 (1) 确认多普勒超声测速仪、示波器与桌上电源插座连好，打开桌上电源插座开关。(2) 打开多普勒超声测速仪以及示波器的电源，此时系统启动并初始化，如小车不在指定位置（导轨左侧限位处），系统自动将小车复位。 (3) 操作测速仪表面薄膜键盘通过“上翻”“下翻”或数字键选择“开始测量”，点击“确定”进入测试页面。 (4) 选择“多普勒测速”并点击“确认”进入，选择“参数查看/设置”可以查看或修改测速仪相关参数（电机运行转速等），在电机速度设置时，电机速度需要在10%-80%之间，因为如果超出该范围容易导致电机无法启动或发生异常。设置好相关参数后，返回至“多普勒测速”页面选择“启动测量”，此时，电机运转，小车运行到光电门处开始测速。测速过程中键盘被屏蔽，当测速完成时测速数据在液晶上显示，其中：“测得速度”指多普勒方式测得的小车运动速度；“标准速度”指采用光电门方式测得的速度，在本实验中作为参考；“误差”指多普勒方式与光电方式测速之间的相对误差。需要注意的是前三组数据可能存在较大误差，在实验时需要抛弃。记录处理如下数据： 电机速度（%）20%40%60%80%靠近远离靠近远离靠近远离靠近远离多普勒速度（m/s）0.18450.1865 0.22200.22460.26090.26260.29840.3011误差（m/s）-0.0093-0.0134-0.0117-0.0173-0.0138-0.0213-0.0178-0.02382.2加入温度校正后运动物体速度的测量 电机速度（%）20%40%60%80%靠近远离靠近远离靠近远离靠近远离多普勒速度（m/s）0.18720.18880.22460.22690.26420.26620.30240.3052误差（m/s）-0.0067-0.0113-0.0085-0.0154-0.0103-0.0174-0.0138-0.0197在测试页面中，选择“测量环境温度”，按确定键进入，系统根据温度传感器传回的温度数据自动计算并显示理论声速（理论声速，为温度，单位：），系统会自动提示是否需要校正声速，按确定键校正，然后返回，重复按照实验内容1操作，此时得到的是经过声速校正的数据，有着更好的精度。2.3手动测量运动物体通过光电门处的速度 该实验内容主要是在温度校正的情况下，利用示波器上相关波形进行手工计算得到小车运动速度。(1) 分别连接“发射”、“接收”端子至示波器第一、二通道，按一下示波器上“自动设置”，此时可由示波器观察到发射信号和接收信号波形，其频率可由数字示波器读出，学生需要记录超声发射的准确频率，以备计算使用。(2) 分别连接“参考”、“频移”端子至示波器第一、二通道，按一下示波器上“自动设置”，然后手动调整示波器电压量程分度至“20V/格”，时间分度调整至“50ms”，触发方式设为“正常”，触发电平可以调整稍高些，从而抑制一些噪声。(3) 在“多普勒测速”页面中设置电机速度并启动测量（可参考实验内容1中第(4)步操作），当小车通过光电门时，数字示波器自动采集由电路中传送过来的挡光信号和差频信号，并在示波器上看到相应波形，移动示波器光标可以测得相应时间，从而手动计算得出多普勒方式与光电方式测得的速度，再与测速仪自动测出的速度进行分析比较，需要注意的是前三组数据可能存在较大误差，在实验时需要抛弃。参考表格见表3： 电机速度（%）20%40%60%80%靠近远离靠近远离靠近远离靠近远离通过光电门时间（ms） 5252424236363030光电门测得速度（m/s） 0.19230.19230.23810.23810.27780.27780.33330.3333多普勒频移f（HZ） 45.545.55055.662.562.571.471.4多普勒方式测得速度（m/s） 0.19610.19630.21550.23550.26930.26970.3076.3081三、实验试验误差的分析(1) 在发射换能器与接收换能器之间有可能不是严格的驻波场。由发射换能器的发射面发射的超声波在空气中传播时并不是全以简谐波传播, 而在近场区表现出没有周期性规律的特征, 直到远场区才能近似认为是简谐波, 可是只有入射波为简谐波, 经反射叠加后才能形成驻波, 从而测得两相邻极大值的间距。当发射面与反射面相距10 cm左右时, 正好处于远场区的开始阶段, 入射波不能近似为标准的简谐波。因此与反射波叠加后不为标准的驻波, 任意两相邻极大值的间距不等, 导致在不同位置测得的两相邻极大值间的距离/2不同, 由此计算所得的超声波声速就会有较大的误差(2) 在实验中用接收换能器做反射面也会使测量误差增大, 主要是因为换能器的形状和大小会使其成为声场中的散射体, 从而在空间激起散射波, 影响入射波和反射波的叠加。(3) 示波器上判断极大值的位置不准确也会引入人为的和仪器的误差。四、减小误差的方法(1) 压电换能器的反射面与接收面距离为1115 m时开始测量, 这样传播到接收换能器反射面的声波已经为标准的简