【超声波测距和红外测距基本原理概述3100字】

超声波测距和红外测距基本原理概述目录TOC\o"1-3"\h\u14672超声波测距和红外测距基本原理概述 1108381.1超声波测距基本原理 1322321.1.1超声波的定义 1140081.1.2声波的传播 1152021.1.3超声波的衰减 27691.1.4超声波的测距方法 3170241.2红外测距基本原理 4151981.1.1红外线的定义 4315831.1.2红外测距的方法 41.1超声波测距基本原理1.1.1超声波的定义声波是以振动的形式进行传播的机械波，物体每秒振动的次数称为频率，单位是赫兹（Hz）。人耳能够接收到的声波频率范围为20-20kHz，不超过20Hz的被称之为次声波，那些超出20kHz的声波不在人耳的接收范围，所以称作超声波。声波的分类如图2-1。超声波具有良好的沿指定方向传播的能力和优秀的反射能力，在测量过程中能够取得更为集中的声能，因此，它经常被使用在测距、测速、清洗、杀菌消毒这些领域，在医学、工农业等方面也被广泛的利用。图2-1声波频率图1.1.2声波的传播声音的传播需要介质，但超声波在传播介质中的反射、折射、衍射、散射等的物理规律与普通声波没有根本上的不同。然而，由于超声波的波长非常短，不超过几厘米，更小的能够达到几百分之一毫米的程度。超声波在传播过程中有一些奇怪的性质：超声波的波长很短，而常见阻碍物体的大小超出超声波的波长非常多，因此其衍射的能力非常低，这就使得超声波在均匀介质中沿直线传播成为可能。因此，与普通声波相比，超声波具备更强的沿指定方向传播的能力。声音的传播需要介质，而声音在媒介中的移动速度与频率没有关系。在一般情况下，声音在媒介中的移动速度会根据温度、压强等不同而发生改变，其速度计算方法如公式2-1：c=rRT其中r表示气体定压比热cp与气体的定容比热cr之比；R表示摩尔气体常数；T表示热力学温度；M表示气体的摩尔质量。在通常情况下，气体的成分不会发生改变，因此r、R、M可以确定为定值。根据公式，可以推导出声音的传播速度c与热力学温度T的平方根成比例比关系。在气压为标准大气压，温度为常温25摄氏度，即298.15K的情况下，空气中声音的传播速度为346.28m/s。在实际测量过程中，可以根据相关公式对速度的计算进行补偿。1.1.3超声波的衰减与理论的传播过程不同，超声波会受到很多外界要素的搅扰，从而发生不同水平的衰减。超声波的衰减主要以三种衰减形式表达：散射衰减、扩散衰减和吸收衰减。在遇到一些障碍物时，一些超声波将不再能够在原本的移动路径上继续行动，这时超声波出现的衰减现象称之为散射衰减。散射衰减与传播媒介的材料相关，超声波在固体中进行传播时，散射衰减会逐渐变小；在空气中传播时，超声波的声波反而会有一定程度的加强；超声波在液体中的传播衰减率夹杂在固体和液体当中。扩散衰减与传播媒介的材料关系不大，扩散衰减则是由声源特性引起的，是因为声波传播过程中因波阵面的面积扩大导致的声强衰减，若声源辐射的是球面波其波阵面随的平方增大[8]。还有一个影响扩散衰减的主要因素是超声波在媒介中的传播距离，当超声波在媒介内部进行传播时，会随着传播远近的增长而逐渐衰减，传播距离越远，衰减的幅度也就越大，到了最后完全消失。还有一种普遍的超声波衰减形式被称为吸收衰减，这是因为超声波在介质中发生传播时，会造成介质中有一定的震动，这种震动将引起介质之间的摩擦，而摩擦之间产生的能量则是由超声波的声能所转化而成的，在这个过程中，超声波的声能就会逐渐衰减。超声波的衰减计算较为复杂，一般计算过程中只考虑吸收衰减和散射衰减。衰减系数的计算如下公式2-2：α=8π其中公式的第二项计算是由热传导引起的衰减，相对于第一项来说要小得多，所以可以将其忽略，简化之后得到新的衰减系数计算方法如公式2-3：α=8π2其中f代表的是超声波的震动频率，η代表的是动力粘滞系数，ρ代表的是声波传播介质的密度，C代表的是声音传播的速度。根据上述公式可得知，当温度一定时，f、η和C都是稳定不变的，此时衰减系数只会被超声波的震动频率f所影响。当频率产生变化时，超声波的衰减系数也跟着发生变动，两者之间的变化关系是正相关的。而在超声波传感器的实际应用当中，40KHz的应用效果比较好。1.1.4超声波的测距方法超声波定位技术最早来源于仿生学，蝙蝠等一些无目视能力的生物能将人耳听不到的声波发射出去，超声波遇其它动物或障碍物时被反射，蝙蝠根据反射回来的超声波强弱以及超声波反射的时间间隔长短来判断前方物体的位置，受这一灵感启发，人们设计了各种各样的超声波定位装置[9]。目前广泛使用超声波测距方法有三种：渡越时间法、相位检测法和峰值检测法。相位检测法是利用超声波发射器和接收器信号之间的相位差来计算物体之间的距离。相位测量通过超声波发射器发射出一个正弦信号，经过一定的时间后接收器接收到一个有不同的相位的正弦信号，根据正弦信号经过的周期与两个信号之间的相位差来计算距离。不过这种办法测量的距离有限，因此采用的并不是太多。峰值检测法是对超声波接收信号曲线进行包络放大，通过计算得到曲线峰值出现的时间对距离进行测量的方法。超声波回波信号的包络线受外界影响很小，几乎可以忽略不计，因此对于机械回波前沿到达的时间与峰值出现的时间的差值来说，这几乎相当于是固定的。然后对回波信号到达峰值的时间t进行检测，再减掉固定的时间差，就可以计算出发射器和障碍物当中的间隔。但由于超声波在不同介质不同环境中传播的时候，其信号的衰减是不一样的，所以就会造成相当大的误差，这也是峰值检测法基本上不被使用的原因[10]。渡越时间法是现在采用范围最大也可以说是最实用的一种措施，经过计算超声波在媒介中走过的时间和环境中超声波的实际速度，能够很简单就计算出传感器和障碍物当中的间距。工作原理如图2-2所示。图2-2渡越时间法测距原理图首先超声波发射器会发出信号，并启动计时，等到接收器接收到反射回来的超声信号时，计时装置停止运作，此时计时器得到的数值即为渡越时间t，再根据所处环境测算出超声波在媒介中的实际速度v。对于超声波的传播路径，由于在实际情况下，发射装置和接收装置之间的间隔很小，因此传播路径可以视为直线。这段时间内超声波走过的路程就相当于传感器和障碍物之间距离的两倍，距离的计算公式为：d=v∗t渡越时间法在实际应用当中效果好，测量范围大，因此本课题采用此方法。1.2红外测距基本原理1.1.1红外线的定义红外线是一种电磁波，其波长处于微波与可见光之间，范围在几百纳米到毫米之间。由于频率相对红光频率小，而且是不可见光，所以称之为红外线，其包含目前常温下物体能放出的热辐射的一切波段，相对比可见光来说，红外线透过云雾效果更好，在医疗、通信、探测、军事等领域被普遍利用着。1.1.2红外测距的方法红外测距的办法应用较广的有两种：时间差测距法和反射能量法。时间差测距法在远距离测量中的应用较为广泛。首先由红外发射器发出信号，计时装置开始计时，红外线遇到前方物体后返回，等接收器接感受到信号，中止计时，此时计时器得到的数值即为时间t，光在空气中的实际速度视为c，这段时间内光走过的路程可以视为传感器和障碍物之间距离的两倍，距离的计算公式为：l=c∗t2(2-5)不过这种测量方式通常只运用于远距离测量，且发射器和接收器一般不在同一个设备上，因此并不适用于本课题。反射能量法通过信号强度大小来测算间距，通过红外发射器发射信号，接收器所能感受到的反射回来的信号的光能量有所衰减，再使用单片机进行信号处理，将感知到的光信号根据强度转变为电信号，然后测算出红