超聲波的原理

[編輯本段]引言由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較快速、便利、計(jì)算簡(jiǎn)潔、易于做到實(shí)時(shí)掌握，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)有用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必需裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其準(zhǔn)時(shí)獵取距障礙物的距離信息〔距離和方向〕。本文所介紹的三方向〔前、左、右〕超聲波測(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而供給一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。[編輯本段]原理二、超聲波測(cè)距原理1、超聲波發(fā)生器為了爭(zhēng)論和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了很多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機(jī)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(dòng)型等；機(jī)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一樣，因而用途也各不一樣。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(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。 超聲波發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，假設(shè)兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。3、超聲波測(cè)距原理超聲波放射器向某一方向放射超聲波，在放射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)頭計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中遇到障礙物就馬上返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就馬上停頓計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，依據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算動(dòng)身射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為， 測(cè)量聲波在放射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，依據(jù)放射和接收的時(shí)間差計(jì)算動(dòng)身射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測(cè)距的公式表示為：L=C×T式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播(T為放射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車(chē)提示、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能到達(dá)百米，但測(cè)量的精度往往只能到達(dá)厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲波易于定向放射、方向性好、強(qiáng)度易掌握、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的抱負(fù)手段。在周密的液位測(cè)量中需要到達(dá)毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專(zhuān)用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的緣由，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用 LM92溫度傳感器進(jìn)展聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能到達(dá)毫米級(jí)的測(cè)量精度。超聲波測(cè)距誤差分析依據(jù)超聲波測(cè)距公式L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，無(wú)視聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在到達(dá)微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于 1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能便利的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)承受89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著親熱的關(guān)系，如表 1所示。超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：式中：r—?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為 1.40，R—?dú)怏w普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—?dú)怏w分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，T—273K+T℃。C=C0+0.607×T℃C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s；T(℃)。對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求到達(dá)1mm時(shí)，就必需把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s假設(shè)超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將到達(dá)5m1m誤差將到達(dá)5mm。[編輯本段]電路設(shè)計(jì)三、超聲波測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)掌握超聲波的放射和對(duì)超聲波自放射至接收來(lái)回時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用8751，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有4KROM，便于編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫(huà)出前方測(cè)距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測(cè)距電路與前方測(cè)距電路一樣，故省略之。1、40kHz脈沖的產(chǎn)生與超聲波放射測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器承受 UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是 0kHz的脈沖信號(hào)，這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來(lái)產(chǎn)生。PUZEL：MOV14H,#12H；超聲波放射持續(xù)200msHERE：CPLP1.0；輸出40kHz方波NOP；NOP；NOP；DJNZ14H，HERE；RET前方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī) P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，在 端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波放射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)放射200ms。右側(cè)和左側(cè)測(cè)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(cè)距電路一樣。2、超聲波的接收與處理接收頭承受與放射頭配對(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器IC1AIC1B兩極放大后加至IC2IC2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打算其鎖定帶寬。R8LM567輸入信號(hào)大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛鄳┣笮盘?hào)，送至單片機(jī)處理。前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī) INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過(guò)與門(mén)IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，同時(shí)單片機(jī)P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來(lái)處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。局部源程序如下：RECEIVE1：PUSHPSWPUSHACCCLREX1；關(guān)外部中斷1JNBP1.1,RIGHT；P1.1引腳為0,轉(zhuǎn)至右測(cè)距電路中斷效勞程序JNBP1.2,LEFT；P1.2引腳為0,轉(zhuǎn)至左測(cè)距電路中斷效勞程序RETURN：SETBEX1；開(kāi)外部中斷1{另外的一篇}、超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為反射回來(lái)的時(shí)間，依據(jù)放射和接收的時(shí)間差計(jì)算動(dòng)身射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測(cè)距的公式表示為：L=C×TL為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為放射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。上能到達(dá)百米，但測(cè)量的精度往往只能到達(dá)厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲波易于定向放射、方向性好、強(qiáng)度易掌握、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專(zhuān)用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度LM92溫度傳感器進(jìn)展聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能到達(dá)毫米級(jí)的測(cè)量精度。超聲波測(cè)距誤差分析依據(jù)超聲波測(cè)距公式L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差1mmC=344m/s(20℃室溫)，無(wú)視聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s2.907ms。1mm12MHz89C51單片機(jī)定時(shí)器1μs的精度，因此系統(tǒng)承受89C511mm的測(cè)量范圍內(nèi)。超聲波傳播速度誤差氣的密度又與溫度有著親熱的關(guān)系，如表1所示。超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：式中：r—?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為1.40，R—?dú)怏w普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—?dú)怏w分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，T確定溫度，273K+T℃。近似公式為：C=C0+0.607×T℃式中：C0332m/s；T為實(shí)際溫度(℃)。1mm時(shí)，就必需把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s,30℃時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將到達(dá)5m，1m5mm。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM92溫度傳感器的溫度測(cè)試區(qū)分率為0.0625℃，-10℃至+85℃準(zhǔn)確度為±1.0℃，I2C89C51的通用I/O端口能很簡(jiǎn)潔的模擬I2C總線的讀寫(xiě)時(shí)序，LM92的高精度溫度測(cè)量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。LM92溫度補(bǔ)償?shù)某暅y(cè)距儀189C51單片機(jī)P1.340kHz的信號(hào)，通過(guò)CD4069驅(qū)TL082組成的30db放大器，再由二極管的檢波電路得到一個(gè)直流電平送入比較器與門(mén)限電平比較，最終送入89C51的外部中斷INT089C51計(jì)數(shù)器停頓計(jì)數(shù)，從而LM92出測(cè)試的距離。結(jié)語(yǔ)由LM92溫度傳感器和單片機(jī)組成的高精度超聲波測(cè)距已應(yīng)用在各種高精度測(cè)距的場(chǎng)合自動(dòng)氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測(cè)試、自動(dòng)任意外形物體密度測(cè)試儀等，它具有測(cè)試速度快，能到達(dá)毫米級(jí)的測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn)，在工程上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用前景寬闊?！觯矗担担耄龋鷫弘娞沾蔀V波器、一對(duì)４０ｋＨｚ的超聲波探頭、一塊ＭＣ４０６９ＵＢＥ或ＬＭ３２４就可以組裝成一臺(tái)高性能測(cè)距報(bào)警掌握器。料裝置上探測(cè)物料、水塔水位掌握等。本集成電路承受ＤＩＰ１６腳塑料封裝，其每條腿的含義如下：４５５ｋＨｚ時(shí)鐘信號(hào)輸入，壓電陶瓷振蕩器輸入端，可外接４５５ｋＨｚ高Ｑ值壓電陶瓷振蕩器。Ｄ３：掌握輸出端３，表示０．５米內(nèi)有物體。Ｄ２：掌握輸出端３，表示０．２５米內(nèi)有物體。Ｄ０：高電平輸出端，可以不用。ＢＰ：喇叭驅(qū)動(dòng)電極，靜態(tài)為低電平，驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出２５００Ｈｚ的脈沖，其聲音的間距越小，表示物體的距離越近。ＬＥＤ：方式選擇端，本腳應(yīng)接高