導(dǎo)語：如何才能寫好一篇超聲波測距，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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【關(guān)鍵詞】超聲測距 AT89C51

近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。隨著機器人技術(shù)在其誕生后短短幾十年中的迅猛發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也逐步由工業(yè)生產(chǎn)走向人們的生活。機器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實現(xiàn)繞障、自動尋線、測距等功能。超聲波測距相對其他測距技術(shù)而言成本低廉，測量精度較高，不受環(huán)境的限制，應(yīng)用方便，將它與紅外、灰度傳感器等結(jié)合共同實現(xiàn)機器人尋線和繞障功能。超聲波由于方向性強、衰減緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常用于距離的測量。主要應(yīng)用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往響應(yīng)速度快，且計算方便、易于實時控制，測量精度也能達到工業(yè)現(xiàn)場的要求，因此在現(xiàn)代控制和工業(yè)現(xiàn)場該方法得到廣泛的應(yīng)用。

1 超聲波測距的原理

超聲波是指頻率高于20kHZ的機械波，其頻率較高，波長很短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播，具有優(yōu)異的束射性與方向性。超聲波測距正是利用此特性，首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反射回來所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測距的數(shù)學(xué)公式表示為：

S=C×T

式中S為測量的距離；C為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；T為超聲波傳播的時間（T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的1/2）。

2 誤差分析

由超聲波測距公式S=C×T，可知測距的誤差又兩個因素，其一為超聲波的傳播速度誤差，其二為測量距離傳播的時間誤差。

2.1 時間誤差

如果要求測距誤差小于1mm，假設(shè)已知超聲波速度C=340m/s （20℃室溫），忽略聲速的傳播誤差。時間誤差?t≤0.001/340≈0.000029s，即2.9μs。

忽略超聲波傳播速度誤差的前提下，時間誤差精度只要達到微秒級，就能達到測距誤差小于1mm的要求。實際測量中用12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能可靠的計數(shù)到1μs的精度，即滿足設(shè)計要求。

2.2 超聲波傳播速度誤差

超聲波的傳播速度與空氣的密度相關(guān)，空氣的密度高則傳播速度就快，而空氣的密度與溫度有著密切的聯(lián)系。根據(jù)實際測量經(jīng)驗，超聲波速度與溫度關(guān)系如下：

C≈C0

公式中：T為空氣的絕對溫度。

C0為零攝氏度時的聲波傳播速度332m/s； 超聲波測距過程中就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去，例如當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s， 30℃時是350m/s。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

單片機控制發(fā)出超聲波，不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差ΔT，然后求出距離S=C.ΔT/2，式中的C為超聲波波速。

首先我們知道AT89C51系列單片機內(nèi)部是有2個16位定時器/計數(shù)器的，那么我們就用這個計時器進行計時。并且該系列單片機內(nèi)部有一個寄存器，我們可以將從計時器獲得數(shù)據(jù)進行處理并寄存在單片機的寄存器中，利用單片機軟件編程與預(yù)存的超聲波傳播速度相乘，得出測量距離通過顯示電路將數(shù)據(jù)顯示出來。超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

單片機發(fā)出40kHZ的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用比較電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為ΔT，等到把數(shù)據(jù)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調(diào)整，使測量精度能夠達到要求。再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED顯示。用復(fù)位電路重置系統(tǒng)后可進行下一次測試。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計方法，由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷子程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)整體電路的控制核心為單片機AT89C51。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接口實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。等到把數(shù)據(jù)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調(diào)整。整體結(jié)構(gòu)包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、放大電路、比較電路、震蕩電路、單片機電路、鍵盤輸入電路、電源電路、復(fù)位電路、顯示電路等幾部分模塊組成。經(jīng)過設(shè)計調(diào)試該系統(tǒng)能夠滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。當(dāng)今汽車普及到千家萬戶，倒車雷達的需求不可謂不大，而本設(shè)計方法可以廣泛的應(yīng)用于倒車雷達的測距中，所以其經(jīng)濟效益非?？捎^。

限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計方法。

篇2

本文設(shè)計了一個基于單片機的壓電式超聲波測距儀(前向通道),該系統(tǒng)可應(yīng)用于汽車倒車、霧天行車、水深測量等距離不易測量的環(huán)境。文章概述了超聲檢測的發(fā)展及基本原理,介紹超聲傳感器的原理及特性,并且在介紹超聲測距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。

一、超聲波測距儀系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

(一)超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)設(shè)計要求,該控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

系統(tǒng)由四個主要功能模塊組成:傳感器發(fā)送-接收模塊、穩(wěn)壓電源模塊,信號處理模塊,單片機控制模塊。通過測量不同方向的傳感器的信號,經(jīng)過信號處理電路,由單片機控制計算出與障礙物的距離,從而達到測距目的。

(二)超聲波傳感器測量

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s),即:s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。

(三)超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計方案

1. 傳感器選擇

(1)超聲波發(fā)生器 。為了研究和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

(2)壓電式超聲波發(fā)生器原理 。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動,便產(chǎn)生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉(zhuǎn)換為電信號,這時它就成為超聲波接收器了。

2.超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計

(1)40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射。測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器,它的工作電壓是40kHz的脈沖信號,這由單片機執(zhí)行程序來產(chǎn)生。

前方測距電路的輸入端接單片機P1.0端口,單片機執(zhí)行上面的程序后,在P1.0 端口輸出一個40kHz的脈沖信號,經(jīng)過三極管T放大,驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T,發(fā)出40kHz的脈沖超聲波,且持續(xù)發(fā)射200ms。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口,工作原理與前方測距電路相同。

(2)超聲波的接收與處理。接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R,將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?經(jīng)運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567,內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3,電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上,則LM567 輸入信號大于25mV,輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?作為中斷請求信號,送至單片機處理。

前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口,中斷優(yōu)先級最高,左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口,同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端,中斷源的識別由程序查詢來處理,中斷優(yōu)先級為先右后左。(程序參見附件源程序)

(3)計算超聲波傳播時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0,利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時,接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變,在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號,單片機響應(yīng)外部中斷請求,執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序,讀取時間差,計算距離。(程序參見附件源程序)

(4) 超聲波測距系統(tǒng)誤差分析。通過對所要求測量范圍0-100m內(nèi)的平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn),其最大誤差為0.5cm,且重復(fù)性好?？梢娀趩纹瑱C設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小等特點。

二、 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計軟件分為兩部分:主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射,外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。

篇3

    超聲波測距在社會生活中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用如汽車倒車雷達等。本文主要設(shè)計了一種基于單片機微處理器的超聲波測距儀。該設(shè)計以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件,利用反射超聲波測量待測距離。

    該系統(tǒng)設(shè)計是以ATEML公司生產(chǎn)的單片機AT89C2051為核心,具有低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示等優(yōu)點。論文對超聲波測距的可能性進行了理論分析,對超聲波測距系統(tǒng)的硬件部分進行了具體設(shè)計,編寫、調(diào)試和運行了相應(yīng)的軟件程序。另外,為保證測量的可靠性和穩(wěn)定性,設(shè)計中采取了相應(yīng)的抗干擾措施。設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)可實時將溫度通過串口顯示在PC機或者其它顯示設(shè)備上。

    該測距儀最大測量距離是20米,精確度是±2cm,它具有成本低、非接觸、速度快、精度高、可靠性強、適應(yīng)性好,操作方便等優(yōu)點,有著廣泛的應(yīng)用前景。

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【關(guān)鍵詞】智能避障 超聲波測距 GPS定位 STM32 語音導(dǎo)航

1 引言

盲人是指雙目失明或單目失明的人，不同于其他社會群體，他們由于先天或后天的生理缺陷而長期處于“黑暗”生活環(huán)境中，相比于正常人而言，他們的生活有許多不方便，不能準確及時的發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物是其中一個重要弊端之一。國際上歐美等發(fā)達國家和國內(nèi)少數(shù)家庭多采用導(dǎo)盲機器人或?qū)と?，?dǎo)盲效果好但成本較高，難以普及?；诖?，本文結(jié)合電子技術(shù)與機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，設(shè)計了一款以GPS定位、超聲波測距為主要功能的智能導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)由超聲波測距單元、語音播報單元、GPS定位臥、信息收發(fā)單元、聲光報警單元及電路構(gòu)成。采用STM32F106C8T6作為主控，主控在接收到超聲波測距的信息后，可以進行語音提示，指導(dǎo)盲人避讓前方的障礙；通過GPS定位單元，定位用戶的位置并通過信息收發(fā)單元上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫；結(jié)合高德地圖接口，借助語音播報實時對用戶進行GPS定位導(dǎo)航。同時考慮在夜晚能見度低時，由聲光報警單元提示來往行人和車輛主動避讓。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 核心控制模塊

本設(shè)計所選用的STM32F103C8T6單片機，是一款基于ARM Cortex架構(gòu)的中等容量增強型微處理控制器，擴展48個GPIO口、FLASH 128KB、工作電壓：2V～3.6V。通過AD接口讀取超聲波測距單元數(shù)據(jù)、定時器復(fù)用PWM波控制電機的振動頻率、IIC協(xié)議控制語音播報單元、串口獲取GPS定位數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫、I/O接口控制聲光報警單元。

3.2 超聲波測距單元

根據(jù)超聲波測距原理，考慮到在實際使用過程中使用者可能會遇到正前方和腳下存在障礙物的情況，本設(shè)計在拐杖安裝兩個超聲波模塊分別測量前方和腳下障礙物的距離。HC-SR04超聲波測距模塊內(nèi)部集成超聲波發(fā)送接收和控制電路，具有接觸式距離感測功能，距離可達400cm，精度可達2mm，工作電壓：5V。

3.3 GPS定位及信息收發(fā)單元

GPS定位單元由GPS模塊USM-3N和GSM模塊組成， 通過AT指令獲取GPRMC類型數(shù)據(jù)，程序解析得到數(shù)據(jù)信息（包括：緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向、衛(wèi)星狀況等）。設(shè)置采樣間隔1S并將GPS坐標通過GSM模塊實時發(fā)送服務(wù)器，家人使用APP訪問服務(wù)器以便于獲取盲人當(dāng)前的位置。APP界面示意圖如圖2所示。

3.4 語音播報單元

語音播報單元使用SYN6288中文語音芯片。此芯片用SSOP28L貼片封裝，具有很多優(yōu)點：較簡單硬件接口資源、低功耗、音色清涼圓潤。主控對接收到的超聲波信號進行數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給語音模塊，語音模塊根據(jù)對應(yīng)的指令進行語音播報（包括時間和溫度）。

3.5 聲光報警單元

該單元除用語音播報警示外還添加了人性化的光控制LED燈示警系統(tǒng)，為方便于在夜晚時提醒路過的車輛和行人主動避讓盲人。依據(jù)光敏電阻的特性控制LED燈開關(guān)，LED燈閃爍引起周圍人員注意。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）通過IIC協(xié)議獲取MPU6050數(shù)據(jù)，并通過卡爾曼濾波函數(shù)對原始數(shù)據(jù)進行濾波融合，獲取歐拉角，測試數(shù)據(jù)時通過串口發(fā)送至上位機，獲取姿態(tài)角數(shù)據(jù)。

（2）通過模擬信號協(xié)議獲取兩個超聲波收發(fā)模塊HC-SR04數(shù)據(jù)，通過使能T1定時器的PWM的輸入捕獲，復(fù)用通道1和通道2進行PWM輸入捕獲，獲取高低電平時間，從而計算出探測距離。

（3）通過STM32接收到的UM220-III_GPS模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)，對比程序查表信息并讀出地理名稱數(shù)據(jù)，發(fā)送給GSM進行數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫通過高德地圖接口，獲取相應(yīng)的導(dǎo)航信息，再發(fā)送至單片機，進行語音模塊播報。

（4）通過STM32的串口1發(fā)送位置數(shù)據(jù)至GSM模塊。

（5）通過I/O口的輸入捕獲，獲取人體傳感器HC-SR501模塊的輸出數(shù)據(jù)，判斷是否有人在使用智能拐杖。

（6）控制T2定時器的PWM輸出產(chǎn)生，復(fù)用通道1和通道2進行PWM輸出，控制電機的不同強度的振動，以便于障礙物檢測的提醒。

算法流程圖詳如圖3所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于GPS導(dǎo)航、超聲波測距、語音播報的智能導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對盲人前方道路上的障礙物進行距離探測并把障礙物距離信息轉(zhuǎn)換成語音提示， 盲人可以根據(jù)提示音避讓障礙；通過姿態(tài)數(shù)據(jù)解算判斷盲人是否摔倒，當(dāng)盲人摔倒時，GPS定位盲人位置，并將位置信息和報警消息發(fā)送給親人和當(dāng)?shù)氐木茸o中心。經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)滿足導(dǎo)盲的實際需求，效果理想，且成本低、性價比高，具有良好的市場應(yīng)用前景。

參考文獻

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作者簡介

田宇航（1995-），男，河北省張家口人。現(xiàn)為河北農(nóng)業(yè)大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在讀本科生。

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關(guān)鍵字：超聲波發(fā)生器；超聲波換能器；測距

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)04-11083-03

1 引言

近年來隨著微電子技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的小型價廉的微處理器（單片機）的出現(xiàn)，使超聲波測距傳感器的功能得到了提升。有了微處理器不僅使測距的精度大為提高，而且為超聲波測距技術(shù)的應(yīng)用開辟更大的空間。

利用超聲波制作汽車防撞雷達可以幫助駕駛員及時了解車周圍阻礙情況，防止汽車在轉(zhuǎn)彎、倒車等情況下撞傷、劃傷。

2 超聲波測距的工作原理與方式

2.1 超聲波測距的工作原理

人能聽到的聲音頻率為：20Hz~20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波。超聲波是一種只有少數(shù)生物（如蝙蝠、海豚）才能感覺的機械波，其頻率在 20kHz以上，波長短，繞射小、能定向傳播。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。

超聲波測距的原理就是利用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。

2.2 超聲波測距的工作方式

利用超聲波測距的工作，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。其主要有三種測距方法：

（1）相位檢測法，相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；

（2）聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法易受反射波的影響；

（3）渡越時間檢測法，渡越時間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計上都非常容易實現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間，這個時間就是渡越時間。

本設(shè)計的超聲波測距就是使用了渡越時間檢測法。在移動車輛中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時間差和傳播速度，計算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件總體框圖

構(gòu)成超聲測距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、鍵盤顯示電路、核心功能模塊單片機控制器及一些輔助電路。采取收發(fā)分離方式有兩個好處：一是收發(fā)信號不會混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時造成的各種損失和干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，選擇了西安立宇電子科技有限公司的超聲波測距傳感器 TCT40－16T/R（T 表示發(fā)射傳感器，R表示接收傳感器），最大探測距離為 6m，發(fā)射擴散角為 60度。同時，采用AT89C51單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3.2 超聲波發(fā)射部分

超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2所示：由NE555 時基電路及元件構(gòu)成40kHZ 多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器RP 阻值，可以改變振蕩頻率，最終達到40KHZ。同時用單片機控制NE555 第3 腳輸出端驅(qū)動超聲波換能器T40-16，使之發(fā)射出超聲波信號。電路簡單易制。電路工作電壓9V，工作電流40~50mA。

用555定時器接成的多諧振蕩器來驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感器。555定時器外接電阻和電容構(gòu)成的多諧振蕩電路。振蕩頻率 f主要取決于電阻 R1（包括電位器的阻值）、R2和電容 C1，當(dāng) R1、R2 和 C1固定時，改變電位器的阻值就可改變振蕩頻率，振蕩幅度由電源電壓來決定。

圖2 超聲波發(fā)射電路原理圖

但是輸出的矩形波是不對稱的，占空比為：

這里采用獨立的 9V電源對三極管驅(qū)動電路供電，以增強超聲波發(fā)射的能量和測量精度。

3.3 超聲波接收部分

接收電路電路的功能是將連續(xù)變化的信號放大，濾掉高頻干擾和噪聲，把連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號，量化后進入信號采集系統(tǒng)。

超聲波接收電路原理圖如下圖3所示，當(dāng)R40-16感應(yīng)到超聲波時，信號經(jīng)過VT2，VT1兩級放大后再經(jīng)整形濾波，最后有VT3放大輸出，若有收到40KHZ超聲波回波，輸出低電平到單片機，若無接收40KHZ超聲波的回波，輸出高電平到單片機。

圖3 超聲波接收電路原理圖

3.4 單片機控制部分

40KHZ的發(fā)射頻率由單片機的P3.2提供給軟件進行處理，回波經(jīng)過AT89C51對接收到的信息進行處理后，被測的距離在LED上顯示，顯示的數(shù)據(jù)由P0口和P2口分別控制數(shù)碼管的段和位實現(xiàn)LED的顯示，顯示部分采用動態(tài)掃描顯示。兩位LED可表示4.9～0.1 m的距離，滿足顯示精度；若該距離小于預(yù)置的汽車低速安全剎車范圍(如：1m或0.5m)，報警電路發(fā)出適當(dāng)?shù)木嫣崾疽簦蒔2.4口的蜂鳴器輸出控制報警電路的工作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

汽車倒車防撞系統(tǒng)根據(jù)超聲測距原理用AT89C51單片機開發(fā)設(shè)計。整個軟件采用模塊化設(shè)計，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。

根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)軟件應(yīng)具有以下功能：

（1）控制超聲波發(fā)射、接收傳感器的工作狀態(tài)。傳感器的工作狀態(tài)因行駛方向的不同而不同，而且，探測距離時發(fā)射傳感器還要依次輪流工作，這些功能需靠軟件程序來實現(xiàn)。

（2）根據(jù)汽車的行駛速度計算出倒車避撞的安全距離和報警距離。安全距離就是汽車自由停下所需的距離，這時需要的距離必然小于根據(jù)車速確定的安全距離。比安全距離稍遠些的是報警距離，設(shè)計的報警距離比安全距離長出 1 米。通過報警來減少不必要的停車。

（3）測出超聲波信號的往返時間，來計算出最近的障礙物與平臺車的距離。超聲波從發(fā)射出去碰到障礙物返回接收傳感器的時間，需要通過軟件定時器來記錄。根據(jù)這個時間才能計算出障礙物的距離。

系統(tǒng)主程序流程圖如右圖4所示：

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

軟件設(shè)計的主要思路是將預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報警等功能編成獨立的模塊，在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式，當(dāng)按下控制鍵后，在一定周期內(nèi)，依次執(zhí)行各個模塊，調(diào)用預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量的結(jié)果進行分析處理，根據(jù)處理結(jié)果決定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音報警程序。當(dāng)測得距離小于預(yù)置距離時，聲音報警程序被調(diào)用。

主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0．1 ms(這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因)后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。

由于采用的是12 MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1 s，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器TO中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（3）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取20℃時的聲速為其中，To為計數(shù)器T0的計算值。測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0．5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。

5 系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化

超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，安裝時探頭時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

系統(tǒng)調(diào)試完后對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。

5.1 發(fā)射器探頭對接收器探頭的影響

超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔是由控制器內(nèi)部的定時器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到"虛假反射波"結(jié)束的時間段里的信號。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區(qū)”。此“盲區(qū)”很小，對本系統(tǒng)沒有影響。

5.2 溫度的補償

由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。

表1 聲速與溫度關(guān)系表

所以，在超聲波的兩個探頭旁邊需要放置溫度傳感器，測出環(huán)境溫度T，由單片機控制器進行軟件修正。

6 結(jié)束語

雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用AT89C51單片機可以簡化設(shè)計，便于操作和直觀讀數(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)實際測試證明，可以滿足大多數(shù)場合的測距要求。

參考文獻：

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篇6

關(guān)鍵詞：超聲波 單片機 物距測量

中圖分類號：TN802.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）06-0159-02

1 超聲波測距簡介

當(dāng)音頻的頻率高于2KHZ超出人耳所能接受的聲音頻率范圍時，我們稱之為超聲波。超聲波在空氣中傳播向性好，穿透能力強，不受光波、電磁波等的干擾，因此它常用于空氣或水中進行物距測量、速度探測或是某些特殊功能如清洗消毒等，其在工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)科等多個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在工程學(xué)中，利用超聲波進行汽車防撞、液位測量、移動機器人定位和避障等方面物距的探索及測量的需求都很普遍。

2 超聲波原理和測距方法

2.1 壓電式超聲波傳感器原理

超聲波發(fā)生器的工作原理通常被分為機械式和電氣式作用產(chǎn)生二種。本設(shè)計采用壓電式（電氣式）作用原理，具體步驟：首先發(fā)射器向外發(fā)射超聲波，接著超聲波在空氣或水等介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到障礙物后反射，形成回波，最后由接收器感測接收回波。

2.2 超聲波測距方法

3 超聲波測距方案的實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計

本文使用渡越時間法進行超聲波測距，測控芯片選用的是89c2051單片機。系統(tǒng)主要硬件設(shè)計包括穩(wěn)壓電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、以及測距顯示電路。另外還有一個串口調(diào)試電路，主要用作超聲波測距的數(shù)據(jù)調(diào)試和顯示。工作過程描述：單片機的P3.3作為超聲波發(fā)射控制端口，用于發(fā)射相關(guān)信號使發(fā)射電路起振從而發(fā)出超聲波；超聲波發(fā)出的同時、啟動定時器計數(shù)，開始測量渡越時間；P3.2作為超聲波接受控制端口，用于接收經(jīng)障礙物反射的回波；一旦接收到有效回波信號，單片機的定時器立即停止計數(shù)得計數(shù)脈沖個數(shù)N并通過串口調(diào)試助手顯示在電腦屏幕上，代入公式（2）計算可得出預(yù)測距離s，換算后的距離經(jīng)由LCD1602實時顯示。

發(fā)射電路主要由74LS04反射器和超聲波發(fā)射輔助電路構(gòu)成。單片機P3.3口輸出40kHz 的方波信號分二路分別采用無反射器和一級反射器方式送入超聲波換能器的二個電極，以此提高發(fā)射強度。另外輸出端二路均并聯(lián)兩個74LS04反射器后經(jīng)上拉電阻接入，以期在提高輸出高電平的驅(qū)動能力的同時、增加超聲波換能器的阻尼效果以減少振蕩影響[3]。

接收部分的電路主要由NE5532P運放、LM339AJ比較器及超聲波接收輔助電路構(gòu)成。超聲波接收部分是為了將回波順利接收，因此要將聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，并對采集到的信號進行放大、比較等必要處理后輸入到單片機P3.2口，以產(chǎn)生中斷并立即讓計數(shù)器停止計數(shù)，計數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)化后顯示在LCD1602上。液晶部分原理及控制相對簡單，電路可參照其芯片資料的典型接法。

3.2 軟件設(shè)計

利用51單片機的兩個定時器，定時器1主要用于串口調(diào)試電路用于輔助計算串口波特率，定時器0用來計算時鐘脈沖計數(shù)，以計算超聲波所測距離。外部中斷0接收由高到低的負脈沖，以檢測回波信號并采取相應(yīng)動作。系統(tǒng)主程序流程：系統(tǒng)初始化-發(fā)送超聲波子程序-開INT0中斷并啟動定時器T0計數(shù)-檢測回波并分別在串口和LCD上回顯數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)論

實驗及數(shù)據(jù)分析表明，本超聲波測距系統(tǒng)，雖然測距范圍不是很大，但在精度上可以達到毫米以上級別。采用了串口調(diào)試助手以及示波器輔助測試，系統(tǒng)的實現(xiàn)更加可靠。當(dāng)然，影響超聲波測距的因素有很多。如溫度因素，可以采取在軟件中加入溫度補償程序或直接在硬件系統(tǒng)中加上測溫技術(shù)，使其更能精準的測出更大范圍內(nèi)兩個物體之間的距離，因此該系統(tǒng)還可以繼續(xù)完善。

參考文獻

[1]時德鋼，劉曄，王峰等.超聲波測距儀的研究[J].計算機測量與控制，2002.10.

篇7

關(guān)鍵詞：電力電纜 局部放電 超聲波檢測 超聲傳感器

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)運行可靠性不斷提升，電力電纜的運行要求也隨之提高。根據(jù)電網(wǎng)運行情況統(tǒng)計，電纜的局部放電是造成電力電纜絕緣損壞的最主要原因之一[1]。電力電纜在長年運行后，很容易產(chǎn)生內(nèi)部的局部缺陷，從而產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，引起電纜進一步老化，最終導(dǎo)致絕緣失效擊穿。局部放電是造成高壓電力電纜的絕緣損壞的重要因素，為了保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，有效地檢測電纜的狀況，有必要深入研究對電纜局部放電檢測技術(shù)，這對于及時發(fā)現(xiàn)潛伏隱患，提高電纜有效使用壽命具有十分重要的意義。根據(jù)檢測結(jié)果，采取相應(yīng)的措施，實施有計劃、合理的檢修，可以減少因突發(fā)故障而造成的損失，達到提高供電可靠性的目的。

超聲波檢測法是用超聲波傳感器接收電氣設(shè)備內(nèi)部或電力電纜局部放電產(chǎn)生的超聲波，由此來檢測局部放電的大小和位置。典型的超聲波傳感器的頻帶一般都為50-200kHz，可以通過選中頻譜中所占分量較大的頻率范圍作為測量頻率，以提高檢測靈敏度。由于超聲檢測法抗干擾能力相對較強、使用方便，可以在運行中或耐壓試驗時檢測局部放電，適合預(yù)防性試驗的要求，并且隨著聲電換能器效率的提高和電子放大技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測法的靈敏度有了較大的提高。因此，近年來采用超聲波探測儀的情況越來越多。

1．局部放電產(chǎn)生超聲波的機理

通常情況下，局部放電一般是在絕緣介質(zhì)中的氣隙里產(chǎn)生，局部放電等效模型[2]如圖1所示，相當(dāng)于絕緣內(nèi)部有一個微小氣隙，用g表示，四周絕緣完好，其氣隙模型如圖1（a）所示，等效電路模型如圖1（b）所示u。

(a)絕緣介質(zhì)氣隙模型 （b）三電容等效電路

圖1 絕緣介質(zhì)中的局部放電模型

其中，Cg是氣隙電容，Cb是與氣隙g串聯(lián)絕緣b1和b2的電容。Cm代表其余大部分完好絕緣m的電容。電纜運行時候，相當(dāng)于在電極兩端加交流電源um，在Cg得到的電壓為：

當(dāng)氣隙很小的時候，Cg比Cb大， Cm則比Cg大很多。ug隨著外加電壓um的增加而增加，當(dāng)ug上升到某個瞬時值時，ug達到氣隙的放電電壓Ug，氣隙開始放電。放電后Cg上的電壓瞬間從Ug下降到Ur，放電熄滅，Ur稱為殘余電壓。放電熄滅之后，Cg的電壓再次上升發(fā)生放電，然后熄滅，局部放電這樣周而復(fù)始地進行。

一般認為，當(dāng)局部放電發(fā)生后，受電場力或壓力作用，氣泡會發(fā)生膨脹和收縮的過程，這個過程將會引起局部體積變化，在外部產(chǎn)生疏密波，即產(chǎn)生聲波。局部放電的種類有很多，有些在很低的過電壓下的局部放電幾乎不產(chǎn)生熱輻射，有些在很高的過電壓下局部放電則可能產(chǎn)生很強的熱輻射[3]。從物理角度分析，當(dāng)局部放電發(fā)生時，氣泡將會受到一個脈沖電場力的作用，同時，由于放電過程中存在很大的熱輻射的情況下，通道中的電弧電流產(chǎn)生的高溫將會在氣泡內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力。因此，在局部放電過程中影響氣泡產(chǎn)生超聲波的主要因素有兩個：一是放電時刻的電場力，在較低電壓情況下，氣泡在脈沖電場力的作用下將產(chǎn)生為衰減的振蕩運動，在氣泡振動的作用下，周圍的介質(zhì)中將產(chǎn)生超聲波；二是當(dāng)較高過電壓的情況下，放電以后產(chǎn)生的熱引起氣泡膨脹而產(chǎn)生的壓力。放電通道內(nèi)氣體被強烈的電離和加熱，氣體的加熱引起放電通道的膨脹，其膨脹速度一般在聲速的數(shù)量級，經(jīng)過幾微秒的時間，放電通道橫截面達到最大值。隨著能量的釋放，放電空間的電場強度減弱，最后放電熄滅。當(dāng)下一次能量積累后，進行第二次放電。在實際的局部放電中，超聲波往往是由上述兩種因素同時作用而產(chǎn)生的。但是局部放電過程中超聲波的產(chǎn)生機理和傳播途徑尤其復(fù)雜，目前還難以利用超聲波信號對局部放電進行模式識別和進行定量分析[4]。

2．局部放電超聲波檢測法

局部放電超聲波檢測技術(shù)是基于聲發(fā)射原理的檢測方法，工業(yè)中常用的局部放電超聲波檢測法主要有空氣傳導(dǎo)式和接觸式?？諝鈧鲗?dǎo)式是利用聲聚能器將空間的聲波收集和聚焦，用聲傳感器檢測。該方法的優(yōu)點是操作方便、安全；缺點是靈敏度較低。接觸式檢測是用一根玻璃纖維探測桿傳導(dǎo)聲波信號，探測桿首端與電纜終端絕緣外部相接觸，末端接觸聲傳感器，同時要求探測桿有足夠的絕緣強度。該方法的優(yōu)點是衰減小、靈敏度高；缺點是現(xiàn)場操作時工作量較大。 雖然局部放電及所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號具有一定的隨機性，每次局部放電的聲波信號頻譜不同，但整個局部放電聲波信號的頻率分布范圍卻變化不大，大量的頻譜研究結(jié)果表明，局部放電時產(chǎn)生的超聲波的能量集中在50kHz至300kHz頻段，其峰值頻率主要在70kHz～150kHz之間[5]。而噪聲頻譜分布在小于65 kHz的頻率范圍，二者的頻率分布明顯不同，因此受噪聲影響并不大。低頻譜對聲傳遞有利，高頻譜對抗聲音干擾有利。

3.超聲波傳感元件的選擇

超聲傳感器是選擇超聲法局部放電監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器的種類很多，在實際選用中應(yīng)結(jié)合工作頻帶，靈敏度，分辨率，材料尺寸、角度以及現(xiàn)場的安裝難易程度和經(jīng)濟效益問題等進行綜合衡量和選擇。

（1）超聲壓電材料的固有機械振動頻率取決于傳感器的檢測頻帶，并等于轉(zhuǎn)換出的電信號的頻率，超聲波傳感器的中心頻帶寬度一般選為70kHz～150kHz。

（2）傳感器材料尺寸大時，其覆蓋范圍大，晶片小時，覆蓋范圍小。角度的選擇應(yīng)盡可能使其便于接受超聲波，就檢測靈敏度而言，如果忽略超聲波在材料中的衰減，靈敏度隨被測物到傳感器距離的增大而降低。

（3）對于現(xiàn)場狀況比較復(fù)雜的場合，在安裝方式可實現(xiàn)的條件下可以考慮不同的傳感器進行組合安裝，一方面可提高檢測靈敏度，另一方面可排除干擾減少誤判，獲取更為豐富的局部放電的信息。

在局部放電超聲波檢測應(yīng)用中，超聲波傳感器的簡單便攜且高靈敏度是技術(shù)的關(guān)鍵所在。PVDF壓電薄膜作為一種比較獨特的高分子傳感材料，能夠感應(yīng)壓力或拉伸力的變化并輸出電壓信號，憑借其輕薄柔軟的特性成為研制超聲波傳感器的首選。

結(jié)語

近年來，隨著電網(wǎng)運行電壓等級的不斷提高以及對電纜運行可靠性要求的提升，局部放電作為評估電力電纜絕緣狀態(tài)的一個重要指標被大多數(shù)人所采納。超聲波局部放電檢測法憑借非電氣接觸測量、可遠距離測量、可以避免電磁干擾的影響、可以方便地定位、可實現(xiàn)在線檢測等原因，受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，通過超聲波局部放電檢測評估電纜絕緣材料的絕緣性能和狀態(tài)，掌握其可能出現(xiàn)的劣化情況，并能提前給絕緣故障的風(fēng)險預(yù)報，避免突發(fā)性故障的發(fā)現(xiàn)。

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篇8

關(guān)鍵詞：變壓器；超聲波；局部放電；測量 Supersonic Measurement of Partial Discharge in Transformers in Power Network

Abstract：This paper describes the work principle of supersonic method to measure partial discharge in transformers，and introduces the capacity of domestic equipment and degree of voltage are increasing incessantly，which explains the necessity and application status of this technology．

Key words：transformer；supersonic wave；partial discharge； measurement

目前檢測變壓器放電性故障的主要方法是進行局部放電水平的測量，有脈沖電流局部放電量測量法(以下簡稱脈沖電流法)和超聲波局部放電測量法(以下簡稱超聲波法)。脈沖電流法需在設(shè)備停電條件時靠外施電壓進行檢測，雖然能對放電量的大小進行定量測量，以確定放電點的電氣位置，但是無法確定放電點的空間位置，且檢測時必須為停電情況。因此對變壓器實施及時、在線的超聲波局部放電檢測，并配合其它的絕緣試驗項目(如油色譜氣體分析、遠紅外測溫等)，分析變壓器絕緣狀況，及時確定絕緣缺陷性質(zhì)就顯得越來越重要。

1　超聲波局部放電測試原理

絕緣介質(zhì)局部放電有2種類型：氣泡內(nèi)放電；介質(zhì)在高場強下游離擊穿。一些澆注、擠壓的絕緣介質(zhì)容易夾雜著氣隙或氣泡，空氣的介電常數(shù)較固體介質(zhì)小，而場強與介電常數(shù)成反比。因此，介質(zhì)中的氣隙或氣泡是第一種局部放電的發(fā)源地；當(dāng)局部電場更高時，在絕緣薄弱環(huán)節(jié)處將引起介質(zhì)的游離擊 穿。以上2種局部放電，在多數(shù)情況下往往同時發(fā)生或互相誘發(fā)。

變壓器在試驗電壓(或工作電壓)下出現(xiàn)局部放電時，伴隨產(chǎn)生電脈沖、超聲波、光、熱和化學(xué)變化等物理現(xiàn)象。只要變壓器內(nèi)部存在局部放電，就一定會產(chǎn)生高頻的電氣擾動，并將向所有與其有連接的電氣回路傳播。利用連接到設(shè)備端子上的測試裝置接到放電信號，可對變壓器局部放電進行定量檢測。同時，只要存在局部放電，在放電過程中，隨著放電的發(fā)生，伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射，產(chǎn)生超聲波，且很快向四周介質(zhì)傳播，通過安裝在變壓器油箱外壁上的超聲波傳感器，將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，就能對變壓器內(nèi)的局部放電水平進行測量，此即為變壓器超聲波局部放電測量法。

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從基本原理來說，自動對焦可以分成測距自動對焦和聚焦檢測自動對焦。

測距對焦主要有紅外線測距法和超聲波測距法，紅外線測距法，該方法的原理是由照相機主動發(fā)射紅外線作為測距光源，并由紅外發(fā)光二極管間構(gòu)成的幾何關(guān)系，然后計算出對焦距離，超聲波測距法，該方法是根據(jù)超聲波在相機和被攝物之間傳播的時間進行測距的。

相機上分別裝有超聲波的發(fā)射和接收裝置，工作時由超聲振動發(fā)生器發(fā)出持續(xù)超聲波，超聲波到達被攝體后，立即返回被接收器感知，然后由集成電路根據(jù)超聲波的往返時間來計算確定對焦距離。紅外線式和超聲波式自動對焦是利用主動發(fā)射光波或聲波進行測距的，稱之為主動式自動對焦。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

篇10

[關(guān)鍵詞]超聲波 傳感器 疾病診斷 測距系統(tǒng) 液位測量

一、超聲波傳感器概述

1.超聲波

聲波是物體機械振動狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的聲波,其每秒的振動次數(shù)很高,超出了人耳聽覺的上限,人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現(xiàn)象,并且在傳播過程中有衰減。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律,與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。與可聽聲波比較,超聲波具有許多奇異特性:傳播特性──超聲波的衍射本領(lǐng)很差,它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播,超聲波的波長越短,這一特性就越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時,推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。在相同強度下,聲波的頻率越高,它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高,所以超聲波與一般聲波相比,它的功率是非常大的?？栈饔茅ぉぎ?dāng)超聲波在液體中傳播時,由于液體微粒的劇烈振動,會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合,會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用,從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用,會使液體的溫度驟然升高,從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化,并且加速溶質(zhì)的溶解,加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。

超聲波的特點:(1)超聲波在傳播時,方向性強,能量易于集中;(2)超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播,且可傳播足夠遠的距離;(3)超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中,易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息(診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng))。

2.超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為檢測手段,必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習(xí)慣上稱為超聲換能器,或者超聲探頭。

超聲波探頭主要由壓電晶片組成,既可以發(fā)射超聲波,也可以接收超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?它可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉(zhuǎn)變成電能,所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送,也能作接收。 超聲波傳感器由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中幅射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產(chǎn)生機械振動,將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對發(fā)送的超進行檢測?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進行控制。

二、超聲波傳感器的應(yīng)用

1.超聲波距離傳感器技術(shù)的應(yīng)用

超聲波傳感器包括三個部分:超聲換能器、處理單元和輸出級。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵,其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波,接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài),處理單元對接收到的超聲波脈沖進行分析,判斷收到的信號是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是,就測量超聲波的行程時間,根據(jù)測量的時間換算為行程,除以2,即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對準被測物變化方向發(fā)射超聲波,就可測量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器,但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時候,將電能轉(zhuǎn)換,發(fā)射超聲波;而在收到回波的時候,則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。

2.超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病,它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是:對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。

3.超聲波傳感器在測量液位的應(yīng)用

超聲波測量液位的基本原理是:由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號,在氣體中傳播,遇到空氣與液體的界面后被反射,接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間,即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點:(1)無任何機械傳動部件,也不接觸被測液體,屬于非接觸式測量,不怕電磁干擾,不怕酸堿等強腐蝕性液體等,因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長;(2)其響應(yīng)時間短可以方便的實現(xiàn)無滯后的實時測量。

4.超聲波傳感器在測距系統(tǒng)中的應(yīng)用

超聲測距大致有以下方法:①取輸出脈沖的平均值電壓,該電壓 (其幅值基本固定)與距離成正比,測量電壓即可測得距離;②測量輸出脈沖的寬度,即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t,故被測距離為 S=1/2vt。如果測距精度要求很高,則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。

三、小結(jié)

文章主要從超聲波與可聽聲波相比所具有的特性出發(fā),討論了超聲波傳感器的原理與特點,并由此總結(jié)了超聲波傳感器在生產(chǎn)生活各個方面的廣泛應(yīng)用。但是,超聲波傳感器也存在自身的不足,比如反射問題,噪聲問題的等等。因此對超聲波傳感器的更深一步的研究與學(xué)習(xí),仍具有很大的價值。

參考文獻:

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[2]栗桂鳳,周東輝,王光昕.基于超聲波傳感器的機器人環(huán)境探測系統(tǒng).2005,(04).

[3]童敏明,唐守鋒.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù).中國礦業(yè)大學(xué)出版社.