声波因为传播的介质 密度相近而几乎全部折射当超声波从气体传播到固体或液体时，由于两种介质密 度相差悬殊，声波几乎全部被反射，超声波测距仪充分利用了这特性。 衰减特性超声波在传播过程中,由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收, 声波强度会产生衰减。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此， 利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播速度较 慢，为，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。 超声波检测简介 超声波测量在国防航空航天电力石化机械材料等众多领域具有广泛 的作用，它不但可以保证产品质量保障安全，还可起到节约能源降低成本的作 用。超声波与光波电磁波射线等检测相比，其最大特点是穿透力强。超声波是 种频率超过的机械波。超声波作为种特殊的声波，同样具有声波传输的 基本物理特性反射折射干涉衍射散射。超声波具有方向性集中振幅小 加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面传播，超声波的大部分 能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测 量精度方面能达到工业实用的要求，主要应用于倒车雷达建筑施工工地以及些 工业现场，例如液位井深管道长度等场合。 超声波在介质固体液体气体中传播时，利用不同介质的不同声学特性对 超声波传播的影响来探查物体和进行测量的技术称为超声检测。当超声波以脉冲形 式在介质中传播时，利用反射这性质，在多种介质中均有广泛的用途。例如在金 属非金属中用来探测缺陷的位置和性质，从而对钢板锻件焊缝混凝土人 造石磨等进行探伤检验在水中，根据反射波可以探测潜水艇和鱼群，测量海底深 度以及探查海底底层等在人体中则可以协助临床诊断疾病如肝脓肿肿瘤胆结 石等和探测胎儿等。利用超声连续波的共振性质，可以测量高压容器锅炉轮船 甲板等的厚度或腐蚀程度，也可制成机械滤波器。利用超声波的哀减特性，可以研 究或测量材料的物理性质。当超声波射到运动体时，利用多普勒效应，可以测量流 速流量，探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送些信号，则可制成水中 电话水中遥测仪等，以进行水中通信。利用超声波在固体，液体中传播的速度远 小于电磁波这特性，可制成超声延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换。还 可利用超声波检漏测量液位粘度硬度和温度等。除此之外，声发射声成像 技术包括声全息成像技术的发展更大大丰富了超声检测的内容。 超声波可在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结 构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来由于微机技术现代 电子技术信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检 测的限制，进步开拓了其适用范围。 单片机简介 随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术中的个独特的分支， 单片机的应用领域越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其 重要的角色。 单片机属于计算机的个种类。从应用领域来看，单片机主要用于控制，所以 也称它为微控制器。从单片机呈现给用户的供应状态来看，单 片机产品仅是块集成电路芯片，即它的所有功能部件都是集成在块芯片上，所 以称之为单片机。 单片机组成结构中包含运算器控制器，片内存储器个口串行 口定时器计数器中断系统振荡器等功能部件。 图系列单片机封装图 课题背景 超声波的发展趋势 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等生物作为防御和捕捉猎物生存的手段，也就 是由生物体发射不能被人们听到的超声波以上的机械波，借助空气或其它介 质传播。通过被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短和反射回来的信号 强弱来判断反射物的类型及距离的远近。人类采用仿生学，人工发射出超声波。目 前，超声波已应用在民用及国防工业中。例如用超声波探测海洋潜艇位置鱼群以 及确定海底暗礁等障碍物形状及位置。利用超声波在固体里传播的时间确定物体的 长度以及超声波在固体里遇到障碍物界面上的反射来确定物体内部损伤如裂缝气 孔及杂质等位置，称之为无损探伤。利用超声波测距辅助机器人确定机器人自身位 置和环境识别，从而准确避开障碍物按照预先规划好的行进方向行进来完成预定任 务。另外还应用于矿井探测液面探测建筑汽车报警等领域。超声波测距是 种非接触式检测方式，和红外激光及无线电测距相比，超声波测距有其不受光线 影响，结构和操作简单，成本低等特点。采用高精度视觉识别环境技术需要复杂的 信息处理，且体积较大，价格昂贵。对于体积较小成本较低的机器人，这些特点尤 为突出，相比之下，超声波测距的特点弥补了以上不足，在许多情况下能很好地完 成探测任务。就此而言，本课题的研究是有成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接 收超声波能量集中，并使传感器有定的指向角，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坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超 声波。 超声波传感器的特性 超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的 发射型超声波传感器为例进行说明。 频率特性 图超声波传感器频率特性 图是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中，为超声发射传 感器的中心频率，在处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 处所产生的超声声压能级最高。而在两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发 射传感器定要使用非常接近中心频率的交流电压来激励。另外，超声波接收传 感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在处曲线最尖锐，输出电信 号的幅度最大，即在处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频 率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻也有很大关系， 如果很大，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 较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，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，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合 使用，才能有较高得接收灵敏度。 指向特性 实际的超声波传感器中的压电晶片是个小圆片，可以把表面上每个点看成 个振荡源，辐射出个半球面波子波，这些子波没有指向性。但离开超声传感器 得空间点的声压是这些子波迭加的结果衍射，却有指向性。图是电路中 选用得发射传感器的指向图。 图超声波发射传感器指向图 超声传感器的指向图由个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是时声压最 大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角般为，课题中超 声发射传感器的指向角为。 系统主要参数的确定 测距仪的工作频率 传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸 收损失障碍物反射损失背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。 工作频率的确定主要基于以下几点考虑 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波 的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。 工作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐，测 量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，细节容易辨识清楚，因此 从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装 就越困难。 综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比虽然传播损失相对 低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。 声速 声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速 度随温度杂质含量和介质压力的变化而变化。 声速随温度变化公式为式中，是温度。由于该测距 系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中 的传播速度可依据上式计算出为。 发射脉冲宽度 发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射 能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但 同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度 会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成定困难。 在具体设计中，比较了个脉冲方波，个脉 冲方波，个脉冲方波，作为发射信号后的接收信号，最终选用 个脉冲方波的发射脉冲宽度。 此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。 测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器 的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放 大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不样。根据阻塞区内的缺陷 回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要 注意的。由于发射声脉冲自身有定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射 脉冲段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区。 具体分析如下 当发射超声波时，发射信号虽然只维持个极短时间，但停止施加发射信号后， 探头上还存在定余振由于机械惯性作用。因此，在段较长时间内，加在接收 放大器输入端的发射信号幅值仍具定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平 另方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离 探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头 愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测 中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证定的信噪比，接收 信号幅值需达到规定的阈值，亦即接收信号的幅值必须大于这阈值才能使接 受放大器有输入信号。由图从点以后，接收的信号低于阈值，相当于测距的 远限。另外，从图中点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭 加，难以分辨。从点以后，发射信号低出阈值，接收信号才基本摆脱发射 信号干扰，而能明显的被分辨，所以在要求较高时，把这段时间规定为盲区时 间。从距离上说，根据盲区时间和声速，就可以求得盲区距离。因此，为可测距 范围点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。 图传感器回波检测原理分析 超声波测距仪的硬件设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路超声波发射电路和超声波检 测接收电路三部分。单片机采用或其兼容系列。采用