1、 第一章第一章 研究课题的意义研究课题的意义 1.1 1.1 课题背景课题背景 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文 明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技 术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传 感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同 努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，利用超 声波测量距离可以解决很多问题，如工业上的工业控制，勘探测量，机械人定位 和安全防范等领域得到广泛的应用。 但人们可以具体利用的传感技术还十分有 限， 因此， 这是一
2、个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。 展望未来， 超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展 空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。现 在的汽车泊车测距系统中一般也都使用超声波测距。 而在国内一般使用专用集成 电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器,但是专用集成电路的成本较高、功 能单一。所以，成本较低的传感器就更为了众商家积极研究和开发的领域。而以 单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能, 并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠。 1.2 1.2 课题设计目标课题设计目标 超声波作为测距，已经
3、在很多领域起着非常重要的作用，而且也在不知不觉 之中影响我们的生活。 随着科技的迅猛发展越爱越多科技成果被广泛的运用到人 们的日常生活当中，给我们的生活带来了诸多方便。这一设计就是本着这个宗旨 出发，利用超声波的特性来为我们服务。由于超声波的指向性强，因而常用于距 离的测量。 利用超声波检测往往比较迅速、 方便、 计算简单、 易于做到实时控制， 并且在测量精度方面能达到工业使用的要求，因此在移动机器人，汽车安全，海 洋测量等上得到了广泛的应用。 因此利用超声波测距，能在人们日常和科学研究中，测量到不容易被测量的 距离，比如液体，矿井深度，弯道长度等等，减少了测量成本和测量危险。 第第2 2章章
4、 超声波测距原理超声波测距原理 2.1 2.1 超声波传感器的分类超声波传感器的分类 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上 讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机 械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有 加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各 不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 2.22.2 压电式超声波发生器压电式超声波发生器的介绍的介绍 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波发生器 内部结构如图 1 所示，它有两
5、个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信 号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共 振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超 声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波 接收器了 本设计采用收发一体开放型压电式超声波发生器它具有高灵敏度、高可靠 性、高稳定性耐高、低温度、耐湿度、耐冲击、振动等严酷环境条件下工作的特 点。 2.32.3 超声波测距的方式超声波测距的方式 用超声波测距大致有两种方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量 电压即可测得距离； 但在使用这种方
6、法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消 除， 在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失 效 测量输出脉冲的宽度即反射时间法，由单片机负责计时发射超声波与接收超 声波的时间间隔 t，然后求出距离 SCt2，式中的 C 为超声波波速。本测量 电路采用第二种方案。 单片机通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回 波，从而测出发射和接收回波的时间差 t，从而得到距离。反射时间法如下图所 示： 图 2：反射法示意图 S=(T1-T2)*C/2 式中,C 为超声波在空气中传播的速度。其与环境温度的关系式为： C=331.4+0.61xT（参考张谦林.超声波检测原理和方法.） 由于超声波属于声波范围，其波速 C 与温度有关，表 1。列出了几种不同温 度下的波速。 波速与温度关系表 温度 C -20 -10 0 10 15 20 30 100 波速 m/s 319 325 323 338 340 344 349 386 表 1 由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。 如果测距精度要求很高，则应通过温度
