(論文)超聲波測(cè)距系統(tǒng)論文(設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū))(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)論文)

鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 (2010)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1 概 述 從技術(shù)上看，超聲波測(cè)距系統(tǒng)在上個(gè)世紀(jì)70年代已經(jīng)實(shí)用化，從70年代末期開(kāi)始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。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)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上到了廣泛的應(yīng)用。2 課題研究背景與意義2.1 課題研究背景超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。近年來(lái)，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。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)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。2.2 課題研究意義由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。可在不同環(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差43值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。3方案設(shè)計(jì)和選擇根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，方案的選擇應(yīng)力求實(shí)用性強(qiáng)，性價(jià)比高，使用簡(jiǎn)單。3.1 超聲波測(cè)距的基本原理諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、又可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵(lì)下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能(機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電能。3.1.1 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一 類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(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相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 3.1.2 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)部結(jié)構(gòu)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，如果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。 3.1.3超聲波測(cè)距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停 止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖3-1所示： 超聲波發(fā)射 障礙物 S H 超聲波接收?qǐng)D3-1 超聲波的測(cè)距原理 （3-1） （3-2）式中:L-兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: ( 3-3)式中:v超聲波在介質(zhì)中的傳播速度; t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間.將（32）、（33）代入（3-1）中得： ( 3-4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度時(shí),V=349m/s);當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(34)變?yōu)? ( 3-5) 所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離H.3.2單片機(jī)AT89S52單片機(jī)一詞最初源于“Single-Chip Microcomputer”，簡(jiǎn)稱“SCM”。單片機(jī)也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片（芯片也稱為集成電路塊，它是1958年9月12日，在Robert Noyce的領(lǐng)導(dǎo)下，科研小組發(fā)明集成電路后開(kāi)始出現(xiàn)的一個(gè)名稱），而是把一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。近年來(lái)，微處理器已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，尤其是在智能儀器儀表中的應(yīng)用更是如此，這不僅引起了產(chǎn)品本身的變革，也深深地影響設(shè)計(jì)的理念的變革。智能儀器儀表作為一種智能系統(tǒng)，其核心在于微處理器?；谖⑻幚砥鞯闹悄芟到y(tǒng)設(shè)計(jì)，已成為目前電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。智能系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，一般包含微處理器、按鍵與顯示人機(jī)界面、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等基本功能部件，同時(shí)也包含與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的其他特殊部件。智能系統(tǒng)一般需要在惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期連續(xù)地工作，因此在滿足功能的基礎(chǔ)上，其可靠性也是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)方面，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于通信、雷達(dá)、遙控和自動(dòng)控制等各個(gè)領(lǐng)域中。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我選用的是AT89S52單片機(jī)。 AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。3.2.1 一般說(shuō)明AT89S52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。AT89S52的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括256字節(jié)的內(nèi)部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字節(jié)的片內(nèi)EEPROM和可擴(kuò)展至64K的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。3.2.2 極限參數(shù) 表3-1 AT89S52極限參數(shù)參數(shù)額定值單位操作溫度0+70或-40+85C儲(chǔ)存溫度范圍-65+150CEA/Vpp腳相對(duì)于Vss的電壓0+13.0V其他任何腳相對(duì)于Vss的電壓-0.5+6.5V每個(gè)IO腳的最大IOL15mA3.3 超聲波傳感器3.3.1超聲波的特性聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過(guò)人耳聽(tīng)覺(jué)的頻率極限(根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，取整數(shù)為20000赫茲)時(shí)，人們就會(huì)覺(jué)察不出周?chē)暤拇嬖?，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。人的聽(tīng)覺(jué)范圍如圖2-5所示。圖3-5 人的聽(tīng)覺(jué)范圍 超聲波的特性有：（1）束射特性由于超聲波的波長(zhǎng)短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時(shí)，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過(guò)一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。（2）吸收特性聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，這是因?yàn)榻橘|(zhì)要吸收掉它的部分能量。對(duì)于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的。（3）超聲波的能量傳遞特性超聲波之所以能在各個(gè)工業(yè)部門(mén)中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。為什么有這么強(qiáng)大的功率呢?因?yàn)楫?dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和聲波頻率樣，分子振動(dòng)的頻率決定了分子振動(dòng)的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動(dòng)所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動(dòng)速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來(lái)說(shuō)，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。 （4）超聲波的聲壓特性當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時(shí),由于聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動(dòng)引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。3.3.2 超聲波換能器完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測(cè)方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。人類能聽(tīng)到的聲音頻率范圍為：20Hz20kHz，即為可聽(tīng)聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340ms，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(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相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 共振板gon 壓電晶片 電極 電極圖3-6超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 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)部結(jié)構(gòu)如圖所示，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，如果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。如圖4-4所示。3.4 CAD簡(jiǎn)介CAD在早期是英文Computer Aided Drafting (計(jì)算機(jī)輔助繪圖)的縮寫(xiě)，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐步的認(rèn)識(shí)到單純使用計(jì)算機(jī)繪圖還不能稱之為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；真正的設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等。二維工程圖設(shè)計(jì)只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一小部分；于是CAD的縮寫(xiě)也由Computer Aided Drafting 改為 Computer Aided Design（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)），CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是整個(gè)產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)。早在20世紀(jì)70年代軍工部門(mén)就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成飛機(jī)，火箭等航空，航天器的設(shè)計(jì)工作。電子線路CAD的基本含義是使用計(jì)算機(jī)來(lái)完成電子線路的設(shè)計(jì)過(guò)程，包含電路原理圖的編輯，電路功能的仿真，工作環(huán)境的模擬，印制板的設(shè)計(jì)（自動(dòng)布局，自動(dòng)布線）與檢測(cè)等等。電子線路CAD軟件還能迅速形成各種各樣的報(bào)表文件，如元件清單報(bào)表，為元器件的采購(gòu)及工程欲算等提供了方便，便于新型電子器件和集成電路的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的飛速用日趨廣泛，電子電路也變得越來(lái)越復(fù)雜，這給電路的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)更的難度。因此通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行電子電路的輔助設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)制作電路板的一個(gè)基本手段。Protel99SE是澳大利亞Protel Technology公司于2000年推出的一款基于Windows 95/98以上環(huán)境下的全32位EDA（Electronic Design Automation 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）道路設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，是一個(gè)客戶/服務(wù)器應(yīng)用程序。而且Protel99SE包含眾多的服務(wù)器程序，總體上可以分為5種，分別為：原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)（包含信號(hào)完整性分析）、自動(dòng)布線器、原理圖混合信號(hào)仿真、PLD設(shè)計(jì)。由于其性能優(yōu)越，Protel99SE已經(jīng)成為電路設(shè)計(jì)不可缺少的理想輔助設(shè)計(jì)工具。4 硬件電路設(shè)計(jì)介紹了本設(shè)計(jì)方案選擇的情況，下面將著重按照前面所分析和采用的設(shè)計(jì)方案來(lái)完成具體的電路設(shè)計(jì)。4.1 整體電路設(shè)計(jì)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。超聲波發(fā)射和接收電路中都對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行整形及放大，以保證測(cè)量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測(cè)量電路測(cè)量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路與溫度測(cè)量電路等幾部分模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。在發(fā)射后把信號(hào)放大，接收前也要把還再次放大。整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖4-1。圖4-1超聲波測(cè)距原理圖單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。 圖4-2 超聲波發(fā)送原理圖4.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2.1 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng) 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（1）超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響；（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)；（3）超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來(lái)進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為2，當(dāng)很小的時(shí)候，可直接按式進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為： （4-1） 實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測(cè)量夾角為45。接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。4.2.2 超聲波發(fā)射電路 超聲波測(cè)距技術(shù)經(jīng)過(guò)幾年的研究和發(fā)展，已經(jīng)有了很多比較成熟的技術(shù)和設(shè)計(jì)方案，使本次設(shè)計(jì)能有很多可借鑒的資料，從中學(xué)到了很多寶貴的知識(shí)。對(duì)自己設(shè)計(jì)電路有很大幫助。超聲波發(fā)射電路，要求功率盡量大些，發(fā)射距離大于1.5米，電路力求簡(jiǎn)單實(shí)用。我參考電路圖如圖4-3,4-4,4-5,4-6。吸取幾個(gè)圖的優(yōu)點(diǎn)而避免他們的缺點(diǎn)，然后結(jié)合分析設(shè)計(jì)超聲波的發(fā)射與接收電路。40kHZ超聲波發(fā)射電路之一，電路中晶體管VT1、VT2組成強(qiáng)反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T40-16的共振頻率。T40-16是反饋耦合元件，對(duì)于電路來(lái)說(shuō)又是輸出換能器。T40-16兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。S是電源開(kāi)關(guān)，按一下S，便能驅(qū)動(dòng)T40-16發(fā)射出一串40kHZ超聲波信號(hào)。電路工作電壓9V，工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。電路不需調(diào)試即可工作。這樣電路很簡(jiǎn)單與實(shí)用。 圖4-3 40khz超聲波發(fā)射電路 40kHZ超聲波發(fā)射電路之二，由VT1、VT2組成正反饋回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反饋元件的T40-16，其諧振頻率為40kHZ2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由T40-16作為換能器發(fā)出40kHZ的超聲波信號(hào)。電感L1與電容C2調(diào)諧在40kHZ起作諧振作用。本電路適應(yīng)電壓較寬（312V），且頻率不變。電感采用固定式，電感量5.1mH。整機(jī)工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。 圖4-4 40khz超聲波發(fā)射電路40kHZ超聲波發(fā)射電路之三，它主要由四與非門(mén)電路完成振蕩及驅(qū)動(dòng)功能，通過(guò)超聲換能器T40-16輻射出超聲波去控制接收機(jī)。其中門(mén)YF1與門(mén)YF2組成可控振蕩器，當(dāng)S按下時(shí)，振蕩器起振，調(diào)整RP改變振蕩頻率，應(yīng)為40kHZ。振蕩信號(hào)分別控制由YF4、YF3組成的差相驅(qū)動(dòng)器工作，當(dāng)YF3輸出高電平時(shí)，YF4一定輸出低電平；YF3輸出低電平時(shí)，YF4輸出高電平。此電平控制T40-16換能器發(fā)出40kHZ超聲波。電路中YF1YF4采用高速CMOS電路74HC00四與非門(mén)電路，該電路特點(diǎn)是輸出驅(qū)動(dòng)電流大（大于15mA），效率高等。電路工作電壓9V，工作電流大于35mA，發(fā)射超聲波信號(hào)大于10m。圖4-5 40khz超聲波發(fā)射電路 40kHZ超聲波發(fā)射電路之四，由LM555時(shí)基電路及外圍元件構(gòu)成40kHZ多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。由LM555第3腳輸出端驅(qū)動(dòng)超聲波換能器T40-16，使之發(fā)射出超聲波信號(hào)。電路簡(jiǎn)單易制。電路工作電壓9V，工作電流4050mA。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一樣。 經(jīng)過(guò)認(rèn)真仔細(xì)的考慮和分析，本人選擇使用NE555加外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，再經(jīng)過(guò)整形放大后來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波。 NE555是一種用途很廣的時(shí)基單元集成電路，其工作電壓范圍較寬，可在4.518V范圍內(nèi)工作，其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA。NE555的內(nèi)部中心電路是三極管Q15和Q17加正反饋組成的RS觸發(fā)器。輸入控制端有直接復(fù)位Reset端，通過(guò)比較器A1，復(fù)位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。輸出端為F，另外還有集電極開(kāi)路的放電管DIS。它們控制的優(yōu)先權(quán)是R、T、TH。利用NE555可以組成相當(dāng)多的應(yīng)用電路，甚至多達(dá)數(shù)百種應(yīng)用電路，在各類書(shū)刊中均有介紹，例如家用電器控制裝置、門(mén)鈴、報(bào)警器、信號(hào)發(fā)生器、電路檢測(cè)儀器、元器件測(cè)量?jī)x、定時(shí)器、壓頻轉(zhuǎn)換電路、電源應(yīng)用電路、自動(dòng)控制裝置及其它應(yīng)用電路都有著廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)镹E555巧妙地將模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合在一起的緣故。圖4-6 40khz超聲波發(fā)射電路 圖4-7 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳 本次設(shè)計(jì)中NE555電路的工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)TXD口發(fā)出低電平，三極管Q5為PNP管所以導(dǎo)通，C極向外輸出高電平。555芯片8腳接到高電平開(kāi)始工作，4腳被拉高，多諧振蕩電路不工作，當(dāng)接到單片機(jī)的低電平信號(hào)后振蕩器開(kāi)始工作。 Vcc經(jīng)外接電阻R1和R2向電容C充電，當(dāng)C上的電壓Vc上升到2Vcc/3時(shí)，反相比較器A1翻轉(zhuǎn)輸出低電平，RS觸發(fā)器復(fù)位，即V0，3腳輸出為“0”，則三極管導(dǎo)通，C經(jīng)三極管和P1放電，當(dāng)Vc下降到Vcc/3時(shí)，同相比較器A2翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即S0，RS觸發(fā)器置位，3腳輸出變?yōu)椤?”，三極管又截止，C又開(kāi)始充電，如此周而復(fù)始，輸出端便可獲得周期性的矩形脈沖波，NE555的內(nèi)部電路。由電路可知電容C的放電時(shí)間t1R2Cln2，充電時(shí)間t2（R1+R2）Cln2，即可得出輸出脈沖的頻率為：f1/t1+t2。所以調(diào)節(jié)R1和R2即可改變脈沖頻率使之等于40KHz。如圖4-6所示。圖4-8 方波產(chǎn)生電路 為了使40KHz的方波信號(hào)更為可靠，要對(duì)其進(jìn)行整形及放大。信號(hào)由NE555的3腳向外輸出，經(jīng)過(guò)二極管D2整形，濾去低于低電平 的部分，只保留零電平以上部分。整形后的信號(hào)經(jīng)由三極管Q1、Q2放大，此時(shí)的信號(hào)已經(jīng)很可靠，可以滿足本次設(shè)計(jì)的需要。信號(hào)由OUT口輸出，送入超聲波探頭中。此外在超聲波發(fā)射電路中還加入了消除余振部分以保證電路可以更好的為超聲波發(fā)射器提供信號(hào)，也使測(cè)量結(jié)果更為精確。因?yàn)槌暡ㄌ筋^是一個(gè)感性元件，在一定程度上會(huì)表現(xiàn)出電感的性質(zhì)。所以當(dāng)發(fā)射電路停止向其輸入脈沖信號(hào)后，如果沒(méi)有合適的能量釋放回路，則在其感性的作用下，超聲波探頭內(nèi)部振蕩仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，仍然發(fā)射超聲波，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。加入這個(gè)電路就是為了在停止發(fā)送超聲波的時(shí)候?qū)l(fā)射器內(nèi)部的能量釋放到地，使其立即停止工作。單片機(jī)控制發(fā)送超聲波的TXD口和消除余振的INT0口都是P3口的低四位，只需要由程序控制兩個(gè)管腳輸出相同的電平。在TXD口為高電平時(shí)停止發(fā)射超聲波，此時(shí)INT0口也為高電平，使得三極管Q3導(dǎo)通，即打開(kāi)消除余振功能，將剩余的能量接地。兩個(gè)動(dòng)作幾乎是同時(shí)的，可以提高此后計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。電路如圖4-9所示。圖4-9方波消除余波電路 圖4-10 發(fā)射電路模塊4.2.3 超聲波接收電路在本次設(shè)計(jì)中選擇了前置放大電路帶通濾波電路后級(jí)放大電路的類似電路。通過(guò)波形整形，積分器，檢波器，帶通濾波，限幅放大和前置放大等實(shí)現(xiàn)接收超聲波的功能。如圖4-11所示： 由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，超聲波的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也較小，為此要求將信號(hào)放大60萬(wàn)倍左右。如圖4-11所示電路有三級(jí)放大：前兩級(jí)種放大100倍，采用高速精密放大器LM318， 其帶寬為15MHz，放大倍數(shù)為100倍時(shí)，能充分滿足要求；第三級(jí)采用LF353運(yùn)算放大器，帶寬為4MHz，對(duì)于62倍的放大倍數(shù)，能充分滿足條件。放大后的交流信號(hào)經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號(hào)整形輸出一個(gè)方波信號(hào)，此方波信號(hào)上升沿使D觸發(fā)器觸發(fā)，向CPU發(fā)中斷申請(qǐng)。在中斷服務(wù)程序中，讀取時(shí)間計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并結(jié)合溫度換算出的速度算出發(fā)射到接收的距離如圖4-12所示：圖4-11 40KHz超聲波接收電路圖4-12 40KHz超聲波接收電路圖4-12所示電路為雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收機(jī)電路，由VT5、VT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)VT4每導(dǎo)通一次（發(fā)射機(jī)工作一次），觸發(fā)信號(hào)經(jīng)C7、C8向雙穩(wěn)電路送進(jìn)一個(gè)觸發(fā)脈沖，VT5、VT6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)VT6從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，VD5截止，VT7截止，繼電器K釋放； 當(dāng)再來(lái)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，VT6由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，VD5導(dǎo)通，VT7導(dǎo)通，繼電器K吸合.由于增加了雙穩(wěn)電路，使之用于電燈、電扇、電視等電器遙控成為現(xiàn)實(shí)。調(diào)試時(shí)，在a點(diǎn)與+16V（電源）之間用導(dǎo)線快速短路一下后松開(kāi)，繼電器應(yīng)吸合（或釋放），再短路一下松開(kāi)，繼電器應(yīng)釋放（或吸合），如果繼電器無(wú)反應(yīng)，請(qǐng)檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。再加上設(shè)計(jì)中所選用的超聲波探頭里已經(jīng)集成了上述超聲波接收電路，一般情況下一次即可成功。為了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)于超聲波探頭接收到的信號(hào)同樣需要進(jìn)行處理。探頭收到的回波信號(hào)經(jīng)OUT口回到電路中，經(jīng)過(guò)電容C10耦合，只保留測(cè)距需要的交流信號(hào)。電路中加入二極管D1同樣是因?yàn)樯厦嫣岬降奶筋^的感性。由于感性的存在，在停止發(fā)送超聲波的那一刻，OUT口會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，即電位低于地電位。這樣，如果沒(méi)有二極管保護(hù)，這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)將會(huì)全部加在三極管Q4的b-e結(jié)上，如果探頭的感性比較強(qiáng)，其反向電動(dòng)勢(shì)足以將b-e結(jié)擊穿。二極管D1提供了一個(gè)電流的瀉放電路，也可以說(shuō)是將反向電動(dòng)勢(shì)降到最?。?.7V左右），保護(hù)三極管及其他電路。電容C9對(duì)經(jīng)過(guò)三極管的信號(hào)進(jìn)一步整形，去掉信號(hào)波形中的毛刺，使波形更好。電阻R5起一個(gè)上拉電阻的作用，因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過(guò)濾波后很可能會(huì)衰減的很?chē)?yán)重，所以利用R5將其幅度上拉到5V，以便單片機(jī)更好的檢測(cè)回波信號(hào)。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060 kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來(lái)做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。圖4-13超聲波回波信號(hào)整形電路 圖4-14 40KHz超聲波接收電路4.3 顯示電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的IO接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí),再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法較為簡(jiǎn)單與便利?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的IO接口電路很多，常用的就是通過(guò)串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴(kuò)展并行的IO口。需要幾個(gè)數(shù)碼管就擴(kuò)展幾個(gè)并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機(jī)通過(guò)串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。在顯示電路的設(shè)計(jì)上，利用單片機(jī)的P0P2口來(lái)控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費(fèi)管腳資源，但是對(duì)單片機(jī)的理論知識(shí)要求相對(duì)比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來(lái)支持，所以我選擇這種方案。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陽(yáng)極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到低電平發(fā)亮。顯示及其驅(qū)動(dòng)電路的原理圖見(jiàn)圖4-15。圖4-15 數(shù)碼管顯示電路4.4 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的元器件都可以使用+12V或是+5V的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)，所以我制作了一個(gè)穩(wěn)壓電源，它使用三端集成穩(wěn)壓器CW7812和CW7805來(lái)設(shè)計(jì)。通過(guò)變壓器的直流電通過(guò)由二極管組成的橋式整流電路進(jìn)入三端穩(wěn)壓元件，CW7812和CW7805分別為電路提供穩(wěn)定的12V和5V直流電源。極性電容起濾波電容的作用，非極性電容則可以改善負(fù)載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。如圖4-16所示：圖4-16穩(wěn)壓電源 圖4-17 單片機(jī)電路4.5硬件電路設(shè)計(jì)優(yōu)化4.5.1 提高測(cè)距的范圍由于空氣對(duì)超聲波的吸收與超聲波頻率成正比，因此用來(lái)測(cè)距的超聲波的頻率不能很高。另一方面，頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，測(cè)量的絕對(duì)誤差就越大。所以，40Kz的超聲波單頻測(cè)距的范圍只有56米，無(wú)法滿足我們的要求。為了解決測(cè)量范圍和測(cè)量精度之間的矛盾，我們采用雙頻測(cè)距的方法。其測(cè)距原理是：控制器現(xiàn)發(fā)出一串頻率為fH的超聲波，串長(zhǎng)度可以有1016個(gè)完整的波形，接著送出48fL低頻率的超聲波。這種在時(shí)域上連續(xù)的兩種頻率的超聲波被前方的目標(biāo)反射后，形成回波，回波經(jīng)由接收器形成回波脈沖EchoH和EchoL。由于高頻聲波先發(fā)出，對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)，其回波EchoH先到達(dá)CPU，因此，對(duì)于較近的目標(biāo)，首先用高頻超聲波探測(cè)。當(dāng)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，接收器接收到的回波中只有低頻超聲波EchoL。由于該裝置在距離較遠(yuǎn)時(shí)對(duì)精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測(cè)。如圖4-17所示：圖4-17 雙頻超聲波測(cè)距工作時(shí)序圖 t0、t1分別為高、低超聲波發(fā)射的開(kāi)始時(shí)間，t2、t3為高、低超聲波回波到達(dá)的時(shí)間，所測(cè)得的距離分別為：D1=c(t2-t0)/2 (4-1) D2=c(t3-t1)/2 (4-2) 經(jīng)試驗(yàn)可知，用雙頻超聲波發(fā)射，量程可達(dá)到25m。 4.5.2 發(fā)射探頭和接收探頭間的影響 超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測(cè)物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問(wèn)題。這一干擾問(wèn)題可通過(guò)軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開(kāi)始到虛假反射波結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm左右的“盲區(qū)”。 4.5.3 超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有： （1）擴(kuò)散衰減:超聲波在傳播過(guò)程中，由于聲束的擴(kuò)散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強(qiáng)均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （2）散射衰減:當(dāng)聲波要傳播過(guò)程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時(shí)，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋?（3）粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來(lái)表示。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對(duì)同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說(shuō)明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴(yán)重。另一種是理論上定量計(jì)算的表示方法，即用衰減系數(shù)來(lái)表示聲波的衰減。4.5.4 系統(tǒng)干擾因素測(cè)量裝置的干擾來(lái)自多方面。機(jī)械振動(dòng)或沖擊會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾;光線對(duì)測(cè)量裝置中的半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生干擾;溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電路參數(shù)的變動(dòng)，產(chǎn)生干擾:以及電磁干擾等等。干擾竄入測(cè)量裝置有三條主要途徑，如圖4-18：圖4-18 產(chǎn)生誤差的途徑（1）電磁干擾干擾以電磁波輻射的方式經(jīng)空間竄入測(cè)量裝置。信道干擾。信號(hào)在傳播過(guò)程中，通道中各