《自动检测与转换技术》第7章练习题分析

PAGE1PAGE1《自动检测与转换技术》（“十四五”职业教育国家规划教材）统一书号：ISBN978-7-111-62119-5第七章超声波传感器思考题与习题分析说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。部分分析采用口语化的型式，希望能够提高读者的兴趣。所展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照理解和提高。希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为liangsen2@126.com，上海电机学院的梁森老师以及作者团队与大家交流。谢谢大家。1．单项选择题1）人讲话时，声音从口腔沿水平方向向前方传播，则沿传播方向的空气分子__不可能……____。A．从口腔附近通过振动，移动到听者的耳朵B．在原来的平衡位置前后振动而产生横波C．在原来的平衡位置上下振动而产生横波D．在原来的平衡位置前后振动而产生纵波提示：不可能有哪一种质点能够随着声音的波动，快速或者逐渐移动到听者的耳朵和脸上……。媒介的粒子只能是随着振动而波动（上下或前后振动），将振动的能量传导到人的耳朵……。对于固体媒介物质，由于固体分子（或者原子）之间有相互作用力，存在剪切力，所以对于在固体中垂直于传播方向的振动，分子（或者原子）在振动时会受到拉伸、压缩变形。分子（或者原子）可以在与超声波传播的方向上作垂直方向的波动（称为横波或剪切波），所以固体不但可以传播纵波（压缩波），也可以传播横波。因为液体或气体内的分子间距较大，能够产生“压缩”和“解压缩”，所以能传播纵波（指振动方向与传播方向一致或平行的一类波，即媒介或质点的运动方向同“波的运动方向”相同或相反）。机械纵波又称为压缩波，疏密波。但是，气体或液体的分子之间的吸引力很小，粒子是随机分布的，当你“剪切随机分布的粒子”时，粒子仍然是随机分布，外形没有改变，所以气体、流体没有切变模量，也就不可能发生剪切运动，所以不可能传播横波。2）一束频率为1MHz的超声波（纵波）在钢板中传播时，它的声速约为___查阅表7-1（测量的声速，纵波）___m/s，波长约为__根据c=fλ，所以将纵波声速除以频率就等于波长，即：λ=c/f=5.9×1063m/s÷(1×106Hz)=……____。A．5.9mB．340mC．5.9mmD．1.2mmE．5.9km/sF．3）超声波频率越高，___超声波有一点像光线的特性。但是，超声波是机械波，光波是电磁波。超声波频率越高，其反射、折射特性就越像光波。读者可以想象光学器件（例如镜子、凸透镜等）的各种作用……___。A．波长越短，指向角越小，方向性越好B．波长越长，指向角越大，方向性越好C．波长越短，指向角越大，方向性越好D．波长越短，指向角越小，方向性越差4）超声波在有机玻璃中的声速比在水中的声速___大多数情况下，介质的密度越高，声速越快___，在有机玻璃中的声速比在钢中的声速___钢中的声速大概是材料中传播最快的之一___。A．大B．小C．相等D．无法确定5）超声波从水（密度小的介质），以45°倾斜角入射到钢（密度大的介质）中时，折射角___变大。当入射角继续变大，达到第二临界角时，折射角有可能达到90°。此时，超声波只能在钢的界面传播（钢材内部没有横波，更不可能有纵波，纵波在探头的入射点就已经被全反射了），成为“表面波”，可以用于钢工件的“表面探伤”___于入射角。A．大于B．小于C．等于D．无法确定图7-01入射波、反射波和折射波6）单晶直探头发射超声波时，是利用压电片的___交变电压→机械振动___，而接收超声波时是利用压电片的___机械振动→交变电压___，发射在___不可能是“无源之水”___，接收在___测试钢材料时，大约要等几个毫秒___。A．压电效应B．逆压电效应C．电涡流效应D.先E.后F.同时7）钢板探伤时，超声波的频率多为___1MHz左右。频率太低的话，射束的扩散就很大，衰减就随之增大___，在房间中利用空气探头进行超声防盗时，超声波的频率多为__几十kHz，频率高了，超声波就很难在空气中传播____。A．20Hz~20kHzB．35kHz~45kHzC．0.5MHz~5MHzD．100MHz~500MHz8）大面积钢板探伤时，耦合剂应选___廉价的，可以不断补充添加的，例如“喷水探头”、“水浸探头”等___为宜；机床床身探伤时，耦合剂应选____防止生锈__为宜；给人体做B超时，耦合剂应选___不需要一直补充添加的，无污染，抹在身上感觉像嫩肤膏，比较舒服的___。A．自来水B．机油C．液体石蜡D．化学浆糊9）A型探伤时，显示图象的x轴为___随着时间的增大，接收器接收到的反射信号的幅度与介质内部结构和缺陷有关，可以在x轴上看出是在哪一个时刻有缺陷反射波，就可以计算出缺陷的位置___，y轴为____反射信号的幅度__；而B型探伤时，显示图象的x轴为___超声波探头水平位移的数值___，y轴为___超声波探头深度方向聚焦点的深度___，辉度为___反射波的幅度___。A．时间轴B．扫描距离C．反射波强度D．探伤的深度E.探头移动的速度10）在A型探伤中，F波幅度较高，与T波的距离较接近，说明___反射波的衰减较小，则缺陷与表面的距离就越近；缺陷的面积越大，则反射波的幅度就越大___。A．缺陷横截面积较大，且较接近探测表面B．缺陷横截面积较大，且较接近底面C．缺陷横截面积较小，但较接近探测表面D．缺陷横截面积较小，但较接近底面12）对处于钢板深部的缺陷宜采用___电涡流只能够检测工件表面的缺陷，测量长条形工件的电阻值的方法只能检测大面积的断裂（电阻值比标准工件的大），小小的缺陷不太会影响电阻值__探伤；对处于钢板表面的缺陷宜采用__超声波探伤用于检测工件内部的缺陷，不能用于表面探伤____探伤。A．电涡流B．超声波C．测量电阻值图7-02模拟式A型超声波探伤仪面板图7-03数字式A型超声波探伤仪的原理框图图7-04B型探伤仪的基本原理框图（示波管）提示：上图中，显示屏的纵坐标代表工件的深度，横坐标代表探头在工件内部缺陷的水平位置。扫描特点：Y轴扫描电路产生锯齿波电压，加在显像管的垂直偏转板（对于LCD显示屏，则由微处理器计算出显示单元的水平编号）上，使扫描线在显示屏的垂直方向（纵坐标）扫描。超声波的发射与扫描是同步的，每发射一次，就扫描一次。示波管水平偏转板上加有直流电压，有连动装置（现代B超是电子扫描的，无机械系统）。探头在工件表面水平移动时（现代B超是电子扫描的，在X轴方向的扫描宽度由“扫描振子”（压电晶片阵列，也称“相控阵”）的单元数目和单元间距所决定），水平偏转板（现代B超仪没有水平偏转板）上的电压随之改变，这样，就使垂直的一条扫描线在荧光屏上随扫描电压的变化作水平移动。如果把“扫描深度”设定在工件的“底部位置”（“最深”的位置），假设在工件的中部没有任何缺陷，工件的材料也是均匀的，工件的中间部位就不会有反射波，使用者在方形的显示屏上看到的图像就非常“淡”（较白），甚至是“白屏”。但是，也有B型显示器是相反的，是“黑屏”。但是，当每一个扫描周期的超声波信号到达工件底部时（显示屏的最低的位置），就会接收到底部的反射，由于底部的面积很大，所以反射信号的声强也很大，则使用者在方形的显示屏下方（也有的B型显示器是在最上方），会看到一条水平暗线（黑线，也可能是亮线），而且均匀没有灰度。如果加大Y轴的扫描深度，就可以将这一条线挤出到屏幕以外。如果在表面至底部的任何中间位置，有一个小点状的缺陷，在垂直的扫描线从左到右逐渐推移的过程中，超声波（与扫描同步）就会遇到这个小点，产生反射波，使用者在方形的显示屏的相应位置（X、Y均不等于零的位置）就会看到一个黑点（也有的B型显示器是一个亮点），点的亮度与反射波的强度有关。反射波越强，就越黑。当然，也有的B型显示器是倒过来的，遇到缺陷就变亮，缺陷越大就越亮。亮点的大小与缺陷的面积关系：如果缺陷在工件的水平方向不只是一个小点，而是有较大的面积，显示屏上看到的亮点也就变大（也有的B型显示器是黑点变大）。亮点位置与缺陷的深度关系：亮点在显示器的高度位置与缺陷的深度有关。缺陷越深，在显示器的位置就越高（也有的是越低），偏移幅度不大。如果缺陷在工件的深度方向也有分布，那么观察到的亮度不但在水平方向扩散，还会在垂直方向扩散，就形成了块状分布，见下图中的b图。由于探头移动的速度较慢，远低于扫描速度，当探头在被测工件表面某点停留的短暂时间里，扫描线已在荧光屏相应的横坐标上，向工件的深度方向（坐标的垂直方向）重复扫描了多次，亦即超声波已经发射多次。所以使用者可以清晰地看到反射波的光斑（下图中的b图中的黑色）。图7-05B型显示探伤仪扫描图a）工件的纵切面图（图中黑色表示缺陷，黑点表示反射波较强）b）B型线扫断层图像（图中黑色表示“有反射信号”，白色表示“没有反射信号”）c）医学B超图（怀孕14周，亮点表示反射波较强）如何控制“扫描深度”的问题：实际的超声波探头中不只是一个压电片，而是有十几个或几十个压电片（例如16个或64个），组成一个“相控阵”（读者可以联想军舰上的“相控阵雷达”），也称“振子”，如下图所示（更高级的振子有三维结构，可以进行三维扫描）。在图7-05所示的振子的两侧方向，由于压电振子的“延迟块”被制成弧形，产生“声透镜”效应，超声波得到聚焦（称为“机械聚焦”），从而使扩散角减小，能量分布比较狭窄，提高了分辨率。由于压电晶片阵列中的每一块独立的晶片均能独立地施加高压（例如125V）电脉冲，并且可以通过“延迟线”或“电子开关”进行“延时控制”（请读者自行上网查阅“B超的延迟线”），从而实现对超声波“焦点”深度方向的扫描控制，以控制超声波的“焦点”逐渐从工件的表面向内部延伸，从而实现Y轴（深度方向）的扫描，见图7-06、7-07。焦点平移：如果超声波的焦点深度不变，还可以通过“阵列合成放大器”的一组“接收闸门延迟开关”，实现不同单元输出电压的延时叠加（见图7-08），形成的X轴方向的“焦点平移”，相当于超声波探头的平移，而不必借助于机械系统去移动超声波探头。图7-06超声波的机械聚焦与电子聚焦图7-07振元三次不同组合扫描，形成不同深度的动态电子聚焦图7-08超声波相控阵回波信号的接收合成2．在图7-11的超声波流量测量中，流体密度ρ=0.9t/m3，管道直径D=1m，α=45°，测得Δf=10Hz，求：1）管道横截面积A；2）流体流速v；3）体积流量qV；4）质量流量qm；5）1小时的累积流量q总。1）管道横截面积：A=πD2/4=3.14×1m2/4=0.？？？m22）流体流速v：顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差Δf为：Δf=（7-4）式中α－超声波束与流体的夹角；v－流体的流速；D－流体的横截面积。由上式可知，Δf与被测流速v成正比。根据以上的论述，v≈=(1m×10Hz)÷sin90°=？？m/s。3）体积流量qV：提示：等于管道横截面积A乘以流速=0.785m2×10m/s=？？m3/s4）质量流量qm：提示：质量流量等于体积流量乘以流体的密度，qV×ρ=7.85m3/s×0.9t/m3=？.？？？t/s式中的t是中文“吨”的质量单位的英语缩写，是正体。如果误用了斜体t，就变成时间的物理量符号了。5）1小时的累积流量q总：提示：1小时的累积流量等于3600秒乘以每秒的质量流量，即：q总=t×qV=3600s×7.065t/s=？？t。请注意：上面的计算式中，斜体的“t”和正体的“t”的含义是不一样的。3．利用A型探伤仪（纵波探头）测量某一根钢制Φ0.5m、长约数米的轴的长度，从图7-17的显示器中测得B波与T波的时间差tδ=1.2ms提示：“距离（被测轴的长度L的两倍）等于钢中的超声波的纵波的速度乘以在钢柱子中传导所经历的时间：纵波直探头主要发射纵波，但是有一小部分纵波会自动产生波的转换，变为横波。但是由于横波的强度很小，所以在反射回到探头的信号中，所占比例很小，可以想办法滤除掉幅度小的横波的反射波。根据超声波从探头发射，到达钢工件的底部与空气的界面，再反射回到探头，超声波来回所经历的时间，可以计算出轴的长度：L=vtδ/2=[5900m/s×(1.2×10-3)s]/2=？.？？m4．可以用图7-7所示的单晶直探头来测量液位。请参考图7-14的原理，画出单晶直探头（固体、液体传导探头）及反射小板在液体中的安装位置，写出计算液位的公式。提示：由于题意要求使用固体或液体传导探头，就不应该将探头安装在如图7-14所示的液体的上方，而应该安装在液体的底部。1MHz左右的电脉冲（700V左右）施加在压电片构成的超声波探头的晶片上，电脉冲能量转换为超声波机械能（逆压电效应），由于晶片的背面有“吸声材料”，所以只有压电晶片朝外的（也可以认为是正面）方向有超声波发射出去。在本题中，超声波从探头向上发出，通过水，到达水与空气的界面，再反射，向下传导。其中的一小部分声能回到探头，转换为电信号（压电效应）。将超声波的声速v（本题中，在液体中不可能有横波）乘以超声波所经历的时间t（接收的时刻减去发射的时刻的时间差），就等于“液位h”的两倍（认为从探头表面向上到液面的高度为“液位h”）。如果希望从容器的底部算起，那么可以再加上探头的安装距离h0。计算液位的公式为：H=h0+h=h0+(v×t)/25．图7-19是汽车倒车防碰装置的示意图。请根据学过的知识，分析该装置的工作原理。并说明该装置还可以有其它哪些用途？图7-19汽车倒车防碰超声装置的示意图提示：倒车自动防撞系统是智能轿车的一部分，是防止汽车倒车时发生碰撞的一种智能装置。它能够自动发现可能与汽车发生碰撞的车辆、行人或其他障碍物体，发出警报或同时采取制动等措施，以避免碰撞的发生。后倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成。能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员克服视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后、左右的防撞。当车辆后退时，安装于汽车尾部的“超声波距离传感器”检测车辆后方的障碍物距离，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆尾部到障碍物的距离告诉驾驶员。在倒车达到极限距离时，会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车。可以在普通倒车雷达的基础上，增加一个有刹车功能的伺服器。当汽车处于“泊车状态”（如果在“行驶状态”下发生“超短距离”且“高速接近”，是不应该自动刹车的，否则会引起追尾），由警戒区进入到危险区时，控制器能向刹车伺服器发出控制信号，刹车伺服器自动控制汽车停止后退，达到安全倒车的目的。图7-09超声波倒车雷达工作原理拓展性思考：1）如何将倒车雷达与车尾的高清倒车摄像头结合起来，组成智能夜间的倒车防撞系统？图7-010超声波倒车雷达以及液晶屏图像2）如何利用超声波传感器构成侧向防撞系统？3）如何利用超声波传感器构成前向防追尾系统？4）如何利用夜视仪传感器构成汽车夜视系统？5）什么是“追尾”？如何防止“主动追尾”？如何防止“被动追尾”？可以安装哪些传感器？6）在十分紧迫的情况下，在前头没有汽车阻挡的情况下，可以自动采取哪些措施来防止“被动追尾”？7）在十分紧迫的情况下，在后头没有汽车阻挡的情况下，可以自动采取哪些措施来防止“主动追尾”？8）请上网查阅有关资料，论述如何检测“侧向接近”（车身的两个侧面有其他车辆异常靠近，例如：本车向另一车道的汽车接近到报警距离，或者是另一车道的汽车向本车靠近到报警距离等）？图7-011超声波夜视仪6．请根据学过的知识，设计一套装在汽车上和车库大门上的超声波遥控开车库大门的装置。希望该装置能识别控制者的身份密码（一串29位二进制编码，包括4位引导码、24位二进制码以及1位奇偶校验码，类似于电视遥控器发出的编码信号），并能有选择地放大40kHz的超声波信号，而排除汽车发动机及其它杂声的干扰（采用选频放大器）。要求：1）画出传感器安装简图（包括汽车、大门等）。2）分别画出超声发射器、接收器的电信号处理框图及开门电路框图。3）简要说明该装置的工作原理。4）上述编码方法最多共有多少组？如何使第三者盗取到的密码无效？5）该装置的原理还能用于哪些方面的检测？6）上网查阅电视机和汽车门遥控器的原理，说明除了超声波外，还可以采用哪些方法来进行遥控？各有哪些优缺点？提示：研究超声波遥控开门设备之前，可以先熟悉汽车防盗和无线电遥控汽车钥匙的原理。汽车钥匙：对于一辆没有防盗系统的汽车，盗贼想开走是很容易的。暴力一点的，会砸开车窗，破坏点火锁芯，掏出红、黑两根线，碰一下，发动机就能点火了（以上是电影镜头，实际上没有这么简单）。“艺术一点”的，可以“想办法”配一个相同的“齿片”就可以启动汽车。汽车钥匙从最初的普通机械钥匙开始，发展到如今的遥控智能钥匙，历经了以下几个阶段。图7-012普通机械钥匙与老式芯片钥匙1）最早的汽车钥匙是机械钥匙：也称“刀片钥匙”，齿形构造类似于门锁钥匙，仅有两项简单功能：开、关门和启动发动机。只要齿形相同，即可打开车门，由于防盗功能十分薄弱，这种“原始”传统型的纯机械钥匙已逐步被淘汰。2）老式芯片钥匙：在“刀片钥匙”上端的尾部塑料部分，嵌入一块电子芯片。依靠芯片的“应答”无线电编码来控制汽车的启动电路。即使盗贼防制了“刀片钥匙”，打开了车门，但由于缺少向主机发送密码的环节，还是无法发动汽车。上图中，芯片钥匙的外形有：外挂式、折叠式和内藏式三种，不同车型有不同款式。汽车钥匙内部的芯片属于“磁耦合转发系统”（类似于身份证和交通卡），芯片自身不需要（也不应该）时刻通电。芯片只需放在汽车主机的发射激励线圈附近（例如150mm以内），就能感应到激励线圈产生的125kHz的交变磁场，芯片内部的感应线圈会产生感应电动势，再转换成直流电压，为芯片内部的编码电路提供直流电源，芯片就开始工作（称为“应答器激活”），将芯片内部的编码（“ID码”，“低频编码”，通常是一个数字序列，也称为“识别码”）调制在300～450MHz的载波上。汽车主机的天线接收到ID码信号，与预先存储在汽车ECU中的密码（电子签名）相对照，如果一致，就通过CAN总线向车身控制单元发送请求信号，以执行相应的启动等动作。3）汽车无线电遥控器：汽车无线遥控器可用于控制驾驶员侧和行李箱的关门、开门。图7-013汽车无线电遥控器图7-014汽车无线电遥控器的工作范围汽车无线遥控器的遥控距离可以设置为数米，但是有的汽车可达30m（越远就越有危险性）。使用者按下某一个按键，汽车门锁便可开启或者闭锁。遥控器的无线信号载频的频段必须与车辆一致。不同车型指令不同，不同品牌代表频段的编码也不相同。4）滚动码芯片钥匙：由于窃贼只要将汽车编码解码器靠近汽车，再按照编码的位数和大概规律，由内部微处理器快速进行一次次的尝试，短时间内就能试出ID码。早期汽车的“固定码遥控器”只能发出一段简单的“代码”。当你的遥控器对爱车喊一声“芝麻开门”时候，盗贼当然也能“听”得到。当你走开后，盗贼将记录下来的“代码信号”“回放”一遍，“芝麻也开门了”。图7-015遥控器与车身接收机的电路框图图7-016遥控器输出的68位码波形现在使用“固定码”的汽车越来越少了，大部分均已使用“滚动码”技术：车身接收系统中储存有复杂的“密码本”，并按设定的规律变化。采用“多个密码一次一换”的方法来提高防盗技术。在每次开门或者启动车辆引擎后，都会在钥匙的芯片和主机之间通过无线电载波（315MHz或434MHz）产生一个“应答过程”，形成和储存新的防盗码。例如，第一次开锁时的密码是“芝麻开门”，而第二次（上车后有一个“学习”和“记忆”过程）就成了“黄豆开门”，之后是“苹果开门”，再“西瓜开门”……这就让盗贼的监听、复制设备不能发挥作用，安全性得到提升。滚动码又称跳码，是一种复杂的非线性加密算法，使数据传输具有极高的保密性．每次传输的代码都是唯一的、不规则的、且不重复。5）汽车智能钥匙：汽车智能钥匙没有按键，全凭智能钥匙的电子芯片解锁来实现关门、开门、启动汽车等功能。驾驶者需要随身携带智能钥匙。当驾驶者走近至车辆一定距离（例如半米左右）时，门锁系统会自动识别。当手指接触驾驶侧门把手感应区的时候，防盗系统就立即解锁，允许驾驶者拉开车门。图7-017智能遥控钥匙把手位置的感应点由于驾驶者进入汽车后已经进行了“身份验证”，所以直接扭动（或按下）“点火开关”就能启动发动机，而不需