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  2641945042XX 2010-05-23 00:00:00

  本文詳細(xì)介紹了一種基于單片機(jī)的脈沖反射式超聲測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用發(fā)射超聲波與反射回波時(shí)間差來(lái)測(cè)量待測(cè)距離。本系統(tǒng)安裝使用方便，價(jià)格便宜，并可與遙測(cè)遙控系統(tǒng)配合使用，有較廣闊的應(yīng)用前景。 超聲測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理以達(dá)到更優(yōu)的系統(tǒng)性能為目的。為適合不同的測(cè)距范圍，單片機(jī)設(shè)置了遠(yuǎn)近兩種發(fā)射模式，即近距離測(cè)量時(shí)使用8個(gè)脈沖串，遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)使用32個(gè)脈沖串來(lái)增強(qiáng)回波信號(hào)，根據(jù)回波信號(hào)特點(diǎn)得到了Z佳接收機(jī)的組成。 論文概述了超聲波檢測(cè)的發(fā)展及基本原理，介紹超聲傳感器的工作機(jī)理及特性，對(duì)于影響測(cè)距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論。并且在介紹超聲測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。針對(duì)測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測(cè)、顯示部分的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證。進(jìn)一步介紹了凌陽(yáng)16位單片機(jī)在系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了系統(tǒng)各部分的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)。Z后給出了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析。 Z后利用測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，各主要波形及技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)有限范圍的距離測(cè)量具有較高的精度和可靠性，Z后文中分析了誤差產(chǎn)生的原因。 關(guān)鍵詞：超聲波，超聲傳感器，超聲測(cè)距，單片機(jī)，溫度補(bǔ)償

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  Minoz_飄萍 2010-06-07 00:00:00

  超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減。它也有自已的特性，如它的頻率可以非常高，達(dá)到兆赫級(jí)，因此，它在介質(zhì)中傳播時(shí)能量可以集中在很小的范圍內(nèi)，具有良好的成束性，也就是方向性好。 超聲波的研究歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)。1883年，Galton首先發(fā)現(xiàn)了超聲波的存在，他當(dāng)時(shí)的研究目的主要是探索人類所能感知的聲譜范圍。在Galton之后的三十年中，超聲波仍然是一個(gè)鮮為人知的東西，由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對(duì)超聲波的研究造成了一定程度的影響。因此，當(dāng)壓電效應(yīng)和磁致現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后并沒(méi)有應(yīng)用于制造有效的超聲設(shè)備。在diyi次世界大戰(zhàn)中，對(duì)超聲的研究逐步受到重視。由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，法國(guó)人Langevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對(duì)低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來(lái)檢測(cè)水中是否存在潛艇并可以進(jìn)行水下的通信聯(lián)絡(luò)。 在我國(guó)，超聲學(xué)的研究開(kāi)始于二十世紀(jì)五十年代，1959年至1964年間我國(guó)建立了分子聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)馳豫吸收、懸浮體的聲吸收等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了固體中超聲衰減的測(cè)量設(shè)備，對(duì)粘彈性和可壓縮流體的聲速和衰減的研究取得了令人興奮的成果。同時(shí)在超聲波探傷、加工、種子處理、顯示、YL等應(yīng)用領(lǐng)域取得了可喜的成績(jī)。表面波換能器的研究我國(guó)開(kāi)始于1965年，于1970年開(kāi)始了高頻表面波的研究，1977年，我國(guó)研制成表面脈沖壓縮濾波器。在80年代以后，我國(guó)的超聲研究進(jìn)入了一個(gè)全新的階斷，取得了一系列標(biāo)志性成果，壓電復(fù)合材料研制成功，窄脈沖短余振探頭問(wèn)世，PVDF高分子壓電薄膜材料趕上并超過(guò)國(guó)際水平，高分子壓電PVDF型換能器和超聲顯微鏡的研究獲得了實(shí)用，高頻壓電材料LiNb03研制成功。在應(yīng)用方面，8超和A超YL探頭開(kāi)始投入生產(chǎn)和YL應(yīng)用。超聲顯微鏡投入應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)在超聲方面的研究在某些方面己走在了世界的前列。 近年來(lái)超聲測(cè)試技術(shù)已明顯表現(xiàn)出下列趨向: 1、由定性的判斷缺陷的有無(wú)而發(fā)展為對(duì)缺陷的位置、大小、形狀、性質(zhì)進(jìn)行定量判斷，并且利用各種成像技術(shù)直接顯示缺陷的二維、三維圖像; 2、向在線自動(dòng)檢測(cè)和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測(cè)試技術(shù)取得突破進(jìn)展; 3、超聲測(cè)試技術(shù)和材料的物性評(píng)價(jià)相結(jié)合，材料的設(shè)計(jì)、加工和工程應(yīng)用迅速發(fā)展。 1.2 超聲應(yīng)用領(lǐng)域 超聲在許多領(lǐng)域內(nèi)比可聽(tīng)聲的用途更加廣泛，是基于以下兒個(gè)原因: 1、具有方向性，超聲波的頻率越高，則方向性越強(qiáng)。在無(wú)損探傷、水下聲納系統(tǒng)、超聲測(cè)距系統(tǒng)中方向性是一個(gè)重要的考慮因素。 2、超聲波的頻率越高，則波長(zhǎng)越短，波長(zhǎng)可以小到與超聲傳播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探傷、微小厚度測(cè)量、高精度Mail距中，這一點(diǎn)相當(dāng)重要。 3、超聲是不可聽(tīng)聲，這樣就避免產(chǎn)生噪聲，因而超聲具有綠色特性。 在工業(yè)生產(chǎn)中，超聲波被應(yīng)用在金屬材料和部分非金屬材料探傷，鋇口厚，以及超聲振動(dòng)切削加工、清洗、焊接等行業(yè)。以及進(jìn)行物位、濃度、硬度、溫度等檢測(cè)。 超聲波被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在診斷顯像技術(shù)，血流測(cè)量計(jì)，胎兒檢查儀，超聲波潔牙器等YL器械都是利用了超聲波的特性。 在軍事領(lǐng)域中，超聲波用于雷達(dá)目標(biāo)定位，武器制導(dǎo)等方面。 1.3 幾種測(cè)距方法介紹 除超聲波測(cè)距外，目前被廣泛使用的還有核輻射測(cè)距、微波測(cè)距、光學(xué)測(cè)距等，下面對(duì)這幾種測(cè)距方法進(jìn)行介紹。 1.3.1 核輻射法 不同物質(zhì)對(duì)同位素射線的吸收能力不同，一般固體Z強(qiáng)，液體次之，氣體Z差。當(dāng)射線射入厚度為H的介質(zhì)時(shí)，會(huì)有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過(guò)介質(zhì)的射線強(qiáng)度I與入射強(qiáng)度Io之間有如下關(guān)系: (2-1) 式中，m為吸收系數(shù)，條件固定時(shí)為常數(shù)。 上式可變?yōu)? (2-2) 因此，測(cè)液位可通過(guò)測(cè)量射線在穿過(guò)液體時(shí)強(qiáng)度的變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)。 輻射式物位計(jì)既可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，也可進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)送信號(hào)和進(jìn)行控制。射線不受溫度、壓力、濕度、電磁場(chǎng)的影響，而且可以穿透各種介質(zhì)，包括固體，因此能實(shí)現(xiàn)完全非接觸測(cè)量。這些特點(diǎn)使得輻射式測(cè)距計(jì)適合于特殊場(chǎng)合或惡劣環(huán)境下的液位測(cè)量，如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、劇毒、有爆炸性、易結(jié)晶、沸騰狀態(tài)介質(zhì)、高溫熔融體等的液位測(cè)量。但在使用時(shí)仍要注意控制劑量，作好防護(hù)，以防射線泄漏對(duì)人體造成傷害。 1.3.2 微波測(cè)量法 在電磁波譜中將波長(zhǎng)為1~ l000mm 的電磁波稱為微波。微波的特點(diǎn)是在各種障礙物上都能產(chǎn)生良好的反射，具有良好的定向輻射性能;在傳輸過(guò)程中受到粉塵、煙霧、火焰及強(qiáng)光的影響小，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理技術(shù)的迅速發(fā)展，微波檢測(cè)技術(shù)從長(zhǎng)期停滯不前的原理性、實(shí)驗(yàn)性研究階段，迅速進(jìn)入工程實(shí)用和產(chǎn)業(yè)化階段。有關(guān)廠商不斷推出各種高性能的微波固體器件以及微波集成電路，不但使微波發(fā)射接受電路實(shí)現(xiàn)小型化，而且性能指標(biāo)也有很大的提高，價(jià)格也有很大的下降。利用介質(zhì)對(duì)微波的反射或吸收特性，微波檢測(cè)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，目標(biāo)物含水率檢測(cè)，液位、料位檢測(cè)等方面的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。 調(diào)頻物位測(cè)量計(jì)是由調(diào)頻固態(tài)源產(chǎn)生等幅的無(wú)線電波，其振蕩頻率在時(shí)間上按調(diào)制信號(hào)呈周期性變化，設(shè)在某一瞬間頻率為f0，由發(fā)射器射向測(cè)量對(duì)象，并由測(cè)量對(duì)象反射回來(lái)，經(jīng)過(guò)接收器接收，輸入混頻器，在回波到達(dá)混頻器的瞬間，固態(tài)源的振蕩頻率由于調(diào)制信號(hào)的作用，較回波頻率己有了變化，設(shè)為f1，它繼續(xù)不斷地射向測(cè)量對(duì)象，并有一部分作為本振頻率耦合到混頻器與f1進(jìn)行混頻。這樣，在混頻器的輸出端就產(chǎn)生了差頻Δf，并且此差頻與發(fā)射器和接收器離測(cè)量對(duì)象的距離L成正比，測(cè)量出Δf的大小也就可以計(jì)算得到距離L的數(shù)值。設(shè)調(diào)制信號(hào)波形為三角形，固態(tài)源初始頻率為f0，則固態(tài)源頻率變化規(guī)律為 (2-3) 式中，T為調(diào)制波周期， F為調(diào)制波頻率，f0為固態(tài)源初始頻率，f2為本振頻率，Δf0為固態(tài)源調(diào)制信號(hào)1/2周期內(nèi)的頻偏范圍，t為時(shí)間?；夭l率為 (2-4) 式中，f1為回波頻率，Δt為微波往返于被測(cè)對(duì)象之間的延遲時(shí)間，C為光速，L為被測(cè)距離，所以，差頻頻率Δf為 (2-5) 由上式整理得被測(cè)距離L為 (2-6) 從上式可以看出被測(cè)距離L與差頻頻率Δf成正比。當(dāng)固態(tài)源的調(diào)制頻率F和頻偏Δf0一定時(shí)，只要測(cè)出Δf，就可以計(jì)算得到L。 當(dāng)固態(tài)工作頻偏Δf0=300MHz，調(diào)制頻率F=1kHz時(shí)，代入式中可得 (2-7) 通過(guò)頻率差計(jì)算出位置的變化。 1.3.3 光學(xué)測(cè)量法 激光用于液位測(cè)量，克服了普通光亮度差、方向性差、傳輸距離近、單色性差、易受干擾等缺點(diǎn)，使測(cè)量精度大為提高。 激光式液位檢測(cè)儀由激光發(fā)射器、接收器及測(cè)量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在物位測(cè)量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點(diǎn)檢測(cè)控制，不易進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。 1.3.4 超聲測(cè)量法 超聲波測(cè)距的基本原理是，由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在空氣中傳播，遇到空氣與物體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后能得到超聲波傳播時(shí)間。根據(jù)其傳播速度和傳播時(shí)間計(jì)算出其傳播距離，得到傳感器到物體的距離。即， (2-8) 其中 D--測(cè)量距離（m） C--超聲波的傳輸速度（m/s） 1.4 超聲波測(cè)距優(yōu)越性 位移測(cè)量是工業(yè)中經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題。針對(duì)不同用途和要求(從測(cè)量范圍、精度要求、測(cè)量條件等考慮)，位移測(cè)量有多種測(cè)量技術(shù)：有機(jī)械的浮子方法；利用電阻、電感、電容的非電量電測(cè)量方法；有光學(xué)或激光測(cè)量方法；有利用放射性或射流技術(shù)的測(cè)位方法等，在本設(shè)計(jì)中采用的是超聲波測(cè)量技術(shù)。超聲波測(cè)位移有很多優(yōu)點(diǎn)，與放射性技術(shù)相比不需防護(hù)；與目前的激光測(cè)距相比，超聲技術(shù)雖在精度上略遜一籌，但比較簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉；更重要的是在惡劣環(huán)境下，激光測(cè)距將受到嚴(yán)重干擾，此時(shí)超聲測(cè)量的高精度就會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，超聲波位移測(cè)量無(wú)須有運(yùn)動(dòng)的部件，所以在安裝和維護(hù)上占有很大的優(yōu)越性。超聲波位移測(cè)量可以選用氣體、液體或固體作為傳聲媒介，具有很大的適應(yīng)性，因此，在測(cè)量要求比較特殊，一般測(cè)量方法無(wú)法采用時(shí)，可考慮采用超聲測(cè)位移

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