楊礴GPS聲納定位實(shí)驗(yàn)9

1、GPS聲納定位實(shí)驗(yàn)913應(yīng)用物理（1）班 楊礴 20133266011111、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?利用時(shí)差法測(cè)量聲速和距離2了解聲納原理，用超聲波定位目標(biāo)。2、 實(shí)驗(yàn)原理 1測(cè)量?jī)x的電路結(jié)構(gòu)水下超聲定位儀的電路結(jié)構(gòu)組成如圖3-1所示，整個(gè)系統(tǒng)由89C51系列單片機(jī)來(lái)控制。啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，由單片機(jī)每隔20ms發(fā)出數(shù)個(gè)1MHz的超聲波,驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器的功率電路發(fā)射出超聲脈沖，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的計(jì)時(shí)器。當(dāng)脈沖到達(dá)被測(cè)目標(biāo)時(shí)，發(fā)生反射，經(jīng)水的傳播被超聲波接收器接收，再由放大電路進(jìn)行濾波放大，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷,計(jì)數(shù)停止，數(shù)碼顯示器把測(cè)得的時(shí)間顯示并由單片機(jī)將該數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)可從換能器的旋轉(zhuǎn)盤上讀取方向角度值，由

2、此實(shí)現(xiàn)定位的功能。 數(shù)碼顯示及存儲(chǔ)單片處理及控制接收電路發(fā)射換能器接收換能器被測(cè)物體發(fā)射電路 圖3-1 水下超聲定位儀的電路結(jié)構(gòu)2超聲波的定位原理 超聲波探測(cè)物體的位置是通過(guò)測(cè)距和測(cè)角同時(shí)來(lái)確定的。超聲波測(cè)距的方法較多，例如渡越時(shí)間測(cè)距法、聲波幅值測(cè)距法、相位測(cè)距法。它們各有各自的特點(diǎn)，但用得最多的是渡越時(shí)間測(cè)距法，本儀器采用的就是超聲波渡越時(shí)間測(cè)距法。其工作原理如下：檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)水介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與水中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。由于在該儀器中，利用計(jì)算機(jī)程序中已將傳輸時(shí)間除以2，因此數(shù)碼顯示器顯示的時(shí)間就是探測(cè)器到被測(cè)物的時(shí)間，其探測(cè)

3、到的距離，如下式所示： (3-1)對(duì)(3-1)式兩邊微分可得： (3-2)式(3-2)說(shuō)明，超聲波測(cè)距傳感器的測(cè)試精度是由渡越時(shí)間和聲速兩個(gè)參數(shù)的精度決定。如將看作常量，則（3-2）式可簡(jiǎn)化為： (3-3)式(3-3)表明：計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率越高，傳感器的測(cè)試精度越高，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)把計(jì)時(shí)頻率設(shè)計(jì)在24MHz,時(shí)間分辨率為0.5us。超聲波的傳播速度受介質(zhì)溫度影響最大，超聲波速度與環(huán)境溫度T的關(guān)系可由以下經(jīng)驗(yàn)公式給出 ： (3-4)rO123P圖3-2 實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)關(guān)系l同時(shí)該溫度下的速度也可利用逐差法通過(guò)實(shí)測(cè)的方法來(lái)求得，而目標(biāo)的角度測(cè)量可直接從換能器的方向旋轉(zhuǎn)刻度盤讀取。對(duì)目標(biāo)進(jìn)

4、行定位。知道目標(biāo)的相對(duì)參考點(diǎn)處于什么位置，可以用直角坐標(biāo)描述，也可以用極坐標(biāo)描述，本實(shí)驗(yàn)用極坐標(biāo)來(lái)描述目標(biāo)位置，如圖3-2所示，知道和就確定了目標(biāo)方位，的測(cè)量用超聲波。實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置由圓柱體容器以及安裝在容器壁上的探測(cè)傳感器等附件組成。被測(cè)物1掛在具有絲桿裝置可使其沿容器半徑方向作徑向移動(dòng)的橫梁2上，即被測(cè)物可位于橫梁任一位置。同時(shí)橫梁2可以繞容器中心O旋轉(zhuǎn)，3是換能器與可讀取方向角度值的旋轉(zhuǎn)盤。我們?cè)O(shè)計(jì)的儀器橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)角度 的變動(dòng)范圍是90° +90°，換能器轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍也是從90° +90°，被測(cè)物在圓柱半徑方向可以在018.0cm之間變化。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的

5、計(jì)算首先，在初始時(shí)刻，當(dāng)換能器置于 = 0º時(shí)，儀器橫梁也處在位置，即在同一直徑上，此時(shí)可以利用經(jīng)驗(yàn)公式(3-4)求取（亦可利用逐差法測(cè)出超聲波的波速）。利用測(cè)量?jī)x測(cè)出回波的時(shí)間，從而可求出探測(cè)器到圓柱體容器中心的長(zhǎng)度，從而完成儀器的定標(biāo)。然后，利用被測(cè)物1、換能器3的位置與角度以及圓柱體容器中心O三點(diǎn)構(gòu)成的三角形，根據(jù)余弦定理可得： (3-5) (3-6)？其中和表示了根據(jù)實(shí)測(cè)所得到的實(shí)驗(yàn)值。為了使實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)中便于比較，在軟件中確定被測(cè)物可以作三種形式的運(yùn)動(dòng)，因此在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)我們?cè)O(shè)定了直線段、圓弧、拋物線三種標(biāo)準(zhǔn)曲線。只要在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，確定好被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)軌跡、起始點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)、角

6、度步長(zhǎng)和長(zhǎng)度步長(zhǎng)，該軟件即可給出該被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)軌跡上每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的理論值與。實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)完成后，將所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，該軟件即可自動(dòng)用列表與繪圖的方式給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果（，）與理論值（，）的相對(duì)誤差及運(yùn)動(dòng)軌跡圖。 3、 實(shí)驗(yàn)儀器 GPS水下超聲定位儀一套 4、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1定標(biāo)，求傳感器到圓柱體容器中心的長(zhǎng)度P測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的溫度，利用公式(3-4)算出在當(dāng)前溫度下，聲波在水中的傳播速度。也可以當(dāng)和在0°時(shí)，被測(cè)物每移動(dòng)10.0mm，測(cè)量一次時(shí)間，至少測(cè)量10次，然后用逐差法通過(guò)實(shí)測(cè)的方法來(lái)求得該溫度下的速度。用儀器中所帶的薄銅片掛在圓柱體容器中心下的螺釘上，測(cè)量時(shí)間，計(jì)算長(zhǎng)度P。2運(yùn)

7、動(dòng)軌跡追蹤確定好被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)軌跡、起始點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)、角度步長(zhǎng)和長(zhǎng)度步長(zhǎng)，用軟件即可給出該被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)軌跡上每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的理論值與，將被測(cè)物每放置一個(gè)位置測(cè)量一次時(shí)間和角度。學(xué)生可利用被測(cè)物、換能器的位置與角度以及圓柱體容器中心三點(diǎn)構(gòu)成的三角形，根據(jù)余弦定理求得和。5、 數(shù)據(jù)結(jié)果1.被測(cè)物體直線運(yùn)動(dòng)編號(hào)12345678 (us)123129136142149156162170(cm)4567891011(cm)4.435.266.237.068.038.999.8210.93-10.70-5.17-3.78-0.82-0.320.061.750.62(cm)-0.43-0.26-0.23-0

8、.06-0.030.010.180.072.被測(cè)物體做圓周運(yùn)動(dòng)編號(hào)12345678 (us)163162159156152145138130010151823263034(cm)1010101010101010(cm)9.969.989.949.8510.019.629.549.48-0.37-0.19-0.64-1.490.06-3.75-4.62-5.23(cm)-0.04-0.02-0.06-0.150.01-0.38-0.46-0.520102030405060700.013.625.032.043.251.361.471.6Inf35.7824.976.717.972.702.272.330.00 3.58 4.99 2.01 3.19 1.35 1.36 1.63 3. 做出物體運(yùn)動(dòng)的軌跡圖6、 結(jié)果討論 1.由運(yùn)動(dòng)軌跡圖可以得出，實(shí)驗(yàn)值與理論值比較接近。但由于測(cè)量距離偏小，因此得出的誤差也會(huì)較小。若測(cè)量距離增加，所得被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差可能會(huì)更大。?2. 聲波的接受器需要大致對(duì)著被測(cè)物體?，否則會(huì)出現(xiàn)接收不到反射聲波的現(xiàn)象。以致于儀器所顯示的時(shí)間為0.3. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不需要使用儀器的存儲(chǔ)功能，只需要記錄物體的距離和收集聲波所用