超声波测距.docx

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超声波测距

超声波测距

0.超声波的应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，以医学为例子说明超声波传感技术的应用。

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。

超声波诊断的优点是：

对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。

因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。

超声波诊断可以基于不同的医学原理，其中有代表性的一种所谓的A型方法。

这个方法是利用超声波的反射。

当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。

每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。

在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。

过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。

当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。

在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。

1．超声波测距基本原理

超声波是指频率高于20KHZ的机械波。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回

所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。

V=331.5+0.607T

（1）

式中：

V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。

S=VXt/2=VX（t1—to）12

（2）

式中：

S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1为超声回波接收时刻；to为超声脉冲发射时刻。

利用MCU勺捕获功能可以很方便地测量to时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。

可利用软件实现对传感器的温度补偿。

2.普通超声波传感器

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（pzt等。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。

有的超声波传感器既作发送，也能作接收。

这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KH乙这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。

该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。

另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。

它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。

超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。

3.超声发送和接收超声传感器等效为1个电感、2个电容和1个电阻串并联电路。

电抗图中左右两侧呈现电容性，中间呈现电感性，是1种典型高Q值晶体振子特性。

在fs和fp处出现两个阻抗最低点，因此有两个谐振峰。

发送传感器在串联谐振峰有最高灵敏度，接收传感器在并联谐振峰有最高灵敏度。

电路激励和接收频率要考虑在此谐振点工作。

此外，由于通常需要大功率驱动，考虑用谐振升压推动是必要的。

目前已有从40kHz〜300kHz适用于空气中，以及高达上兆Hz适用于水中的商品传感器。

超声波发送应考虑因素有；1）量程范围；2）目标距离和目标反射情况。

超声波频

率高对探测较小目标有利，有效反射目标应大于至少10个波长以上，对于非垂直于发射波束的目标，大波束角的传感器通常可以获得更强的回波信号，而波束角越窄对于减小散射波的干扰越有利。

检测条件

超声波传感器特别适合在“空气”这种介质中工作。

这种传感器也能在其它气体介质中工作，但需要进行灵敏度的调节。

盲区直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体。

由此，超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区。

传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。

空气温度与湿度

空气温度与湿度会影响声波的行程时间。

空气温度每上升20oC，检测距离至多

2%。

增加3.5%。

在相对干燥的空气条件下，湿度的增加将导致声速最多增加

空气压力

常规情况下大气变化±5%（选一固定参考点）将导致检测范围变化±0.6%。

大多数情况下，传感器在5Bar压力下使用没有问题。

气流

气流的变化将会影响声速。

然而由最高至10m/s的气流速度造成的影响是微不足道的。

在产生空气涡流比较普遍的条件下，例如对于灼热的金属而言，建议不要采用超声波传感器进行检测，因为对失真变形的声波的回声进行计算是非常困难的。

标准检测物采用正方形声反射板用于额定开关距离sn的标定。

1mm勺厚度

垂直性：

与声束轴线垂直。

防护等级外壳可防固体颗粒和防水。

IP65：

完全防尘；防水柱勺侵入。

IP67:

完全防尘；在恒温下浸入水下1m深处并放置30分钟，能够有效防护。

IP69K:

基于EN60529的符合DIN40050-9

4.T/R-40-XX系列通用型超声波发射/接收传感器

T/R-40-XX系列超声波传感器是得用压电效应工作的传感器，通常我们又称之为换能器。

其振子用压电陶制成，加上共振喇叭可提高动作灵敏度，当处于发射状态时，外加共振频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能。

当处于接收状态时，又能很灵敏的探测到共振频率的超声波，将机械能转化为电能。

此类传感器最适用于防盗报警和遥控使用。

T/R-40-XX系列超声波传感器分为发射和接收两种，发射器型号为T-40-XX,接

收器型号为R-40-XX。

它们适用于以空气作为传播媒介的遥控发射、接收电路中使用。

当施加于超声波传感器两电极上40kHz的振荡脉冲时，发射器工作爱人腔内发生振动效应，产生40kHz的超声振荡机械波向空中辐射。

接收传感器回收到40kHz的超声振荡波时，接收器中的谐振腔（片形振子）和外部40kHz的超声波发生共振，将超声波转换成电信号去控制电子电路工作，从而达到遥控的目的。

由于换能器（收、发）均工作于40kHz频率，所以只要有40kHz的超声波产生媃中被接收器接收。

如果发射器的调制信号含有编码功能，则接收电路的放大电路中必须有相应的解码器方可工作。

此类遥控接收器基本应用电路类型分为三种：

1）、直射型，主要用于遥控及报警电超声波路；

2）、分离反射型，主要用于测距、料位测量等电路;

3）、反射型，主要用于材料的探伤、测厚等电路。

T/R-40XX系列超声波传感器外形、尺寸及电路符号

表1外形尺寸

型号

A（mm）

B（mm）

C（mm）

D（mm）

T/R-40-12

12.7

9.5

6.2

8.5

T/R-40-16

16.2

12.2

9.2

10.0

T/R-40-18A

18.0

14.2

10.8

11.8

T/R-40-24A

23.8

14.6

10.2

11.8

主要电气参数

T/R-40-XX系列超声波传感器典型工作频率为（40土1）kHz，其它电气参数见表2.

型号

声压电平

接收灵敏度

工作频率

（kHz）

带宽（kHz）

电容（pF）

在40.0kHz时

发送

接收

T/R-40-12

>112dB

最小值为

-67dB

（40+1）kHz

最小

5/100dB

最小5/-75dB

（2500+25）%

T/R-40-16

>115dB

最小值为

-67dB

（40+1）kHz

最小

6/103dB

最小6/-71dB

（2400+25）%

T/R-40-18A

>115dB

最小值为

-67dB

（40+1）kHz

最小

6/103dB

最小6/-71dB

（2400+25）%

T/R-40-24A

>115dB最小值为-67dB（40+1）kHz

最小6/100dB最小6/-71dB（2400+25）%

备注

1、T/R-40-XX中“XX”表示传感器外径尺寸；2、T为发射器，R为接收器

5.红外线遥控接收前置放大电路

CX20106A红外线遥控接收前置放大电路，多适用于电视机。

内部电路由前置放

大器，自动偏置电平控制电路（ABLC、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。

CX20106A是CX20106的改进型，二者之间的主要差别在于电参数略有不同。

CX20106A也同样适用于超声波测试，主要频率在38KHZ~41KH，Z在超声波应用中通常选取40KHZ。

1脚：

超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kQ。

2脚：

该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R1或减小C1,将使

负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R仁4.7Q，C仁1卩F。

3脚：

该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3卩f。

4脚：

接地端。

5脚：

该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0,阻值越大，

中心频率越低。

例如，取R=200kQ时，f0〜42kHz,若取R=220kQ，则中心频率f0〜38kHzo

6脚：

该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚：

遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kQ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8脚：

电源正极，4.5〜5.5V。

6.超声波测距参考程序

#includevstring.h>

#include

#defineF_CPU24000000UL〃12MHz

volatileunsignedcharcodea[10]={0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90};

volatileunsignedchartime1[3]={0X00},mark=0;

volatilefloattempout=0,velocity=0,meas=0,ttime=0;

volatileunsignedinttime=0;

volatileunsignedchardisp[6];

sbitkey=0XB3;

voiddisplay（void）;

voidpuls（void）;

voidmain（void）

{

volatileunsignedchari=0,j=0,k=0;

TM0D=0X02;//t0,timing2

TH0=6;

TL0=6;

IE=0X82;

for（i=0;i<4;i++）

{disp[i]=a[i];

}

while

（1）

{

key=1;while（key==0）

{for（i=1;i<4;i++）display（）;

while（key==0）;

if（key==1）

{

TR0=1;

time=0;

for（i=0;i<10;i++）

{

puls（）;

}for（i=0;i<10;i++）{for（j=0;j<100;j++）;

}IE=IE|0X01;

}

}if（mark==1）

{

IE=0X82;velocity=331.4;

meas=（16570*ttime）/1000000;//unit=cmj=（meas/100）;

disp[0]=a[j];k=（meas-j*100）/10;

disp[1]=a[k];j=（meas-j*100-k*10）;

disp[2]=a[j];disp[3]=0XFF;

mark=0;

}display（）;

}

}

voidttimer（void）interrupt1using1

{time++;

}

voidintt0（void）interrupt0using2{

TR0=0;

IE=0X82;ttime=time*100+（TL0-6）/2;

TH0=6;

TL0=6;mark=1;

}

voiddisplay（void）

{

volatileunsignedchari=0,j=0,ch=0XFE;for（i=0;i<4;i++）

{

P1=0XFF;

P0=0XFF;

P02=disp[i];

P1=ch;

ch=ch<<1;

ch=ch|0X01;for（j=0;j<255;j++）;

}

}

voidpuls（void）

{

volatileunsignedchari=0,j=0;

P3=P3&0XFD;

for（j=0;j<6;j++）;

P3=P3|0X02;

for（j=0;j<6;j++）;

}