超聲波的原理

[編輯本段]引言由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較快速、便利、計算簡潔、易于做到實時掌握，并且在測量精度方面能達到工業(yè)有用的要求，因此在移動機器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動機器人能自動避障行走，就必需裝備測距系統(tǒng)，以使其準(zhǔn)時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〕超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而供給一個運動距離信息。[編輯本段]原理二、超聲波測距原理1、超聲波發(fā)生器為了爭論和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計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：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲波發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。3、超聲波測距原理超聲波放射器向某一方向放射超聲波，在放射時刻的同時開頭計時，超聲波在空氣中傳播，途中遇到障礙物就馬上返回來，超聲波接收器收到反射波就馬上停頓計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，依據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算動身射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為， 測量聲波在放射后遇到障礙物反射回來的時間，依據(jù)放射和接收的時間差計算動身射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=C×T式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播(T為放射到接收時間數(shù)值的一半)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提示、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能到達百米，但測量的精度往往只能到達厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向放射、方向性好、強度易掌握、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的抱負(fù)手段。在周密的液位測量中需要到達毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的緣由，提高測量時間差到微秒級，以及用 LM92溫度傳感器進展聲波傳播速度的補償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能到達毫米級的測量精度。超聲波測距誤差分析依據(jù)超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。時間誤差當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，無視聲速的傳播誤差。測距誤差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，測量距離的傳播時間差值精度只要在到達微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機定時器能便利的計數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)承受89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(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—氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為 1.40，R—氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，T—273K+T℃。C=C0+0.607×T℃C0為零度時的聲波速度332m/s；T(℃)。對于超聲波測距精度要求到達1mm時，就必需把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例如當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是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℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將到達5m1m誤差將到達5mm。[編輯本段]電路設(shè)計三、超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計本系統(tǒng)的特點是利用單片機掌握超聲波的放射和對超聲波自放射至接收來回時間的計時，單片機選用8751，經(jīng)濟易用，且片內(nèi)有4KROM，便于編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路一樣，故省略之。1、40kHz脈沖的產(chǎn)生與超聲波放射測距系統(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，這由單片機執(zhí)行下面程序來產(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前方測距電路的輸入端接單片機 P1.0端口，單片機執(zhí)行上面的程序后，在 端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動超聲波放射頭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的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺?jīng)運算放大器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?，送至單片機處理。前方測距電路的輸出端接單片機 INT0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口，同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。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)至右測距電路中斷效勞程序JNBP1.2,LEFT；P1.2引腳為0,轉(zhuǎn)至左測距電路中斷效勞程序RETURN：SETBEX1；開外部中斷1{另外的一篇}、超聲波測距原理超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為反射回來的時間，依據(jù)放射和接收的時間差計算動身射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=C×TL為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為放射到接收時間數(shù)值的一半)。上能到達百米，但測量的精度往往只能到達厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向放射、方向性好、強度易掌握、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度LM92溫度傳感器進展聲波傳播速度的補償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能到達毫米級的測量精度。超聲波測距誤差分析依據(jù)超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。時間誤差1mmC=344m/s(20℃室溫)，無視聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s2.907ms。1mm12MHz89C51單片機定時器1μs的精度，因此系統(tǒng)承受89C511mm的測量范圍內(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—氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，R—氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—氣體分子量，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為實際溫度(℃)。1mm時，就必需把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例如當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s,30℃時是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℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將到達5m，1m5mm。美國國家半導(dǎo)體公司的LM92溫度傳感器的溫度測試區(qū)分率為0.0625℃，-10℃至+85℃準(zhǔn)確度為±1.0℃，I2C89C51的通用I/O端口能很簡潔的模擬I2C總線的讀寫時序，LM92的高精度溫度測量能很好的補償超聲波在不同溫度的傳播速度。LM92溫度補償?shù)某暅y距儀189C51單片機P1.340kHz的信號，通過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直流電平送入比較器與門限電平比較，最終送入89C51的外部中斷INT089C51計數(shù)器停頓計數(shù)，從而LM92出測試的距離。結(jié)語由LM92溫度傳感器和單片機組成的高精度超聲波測距已應(yīng)用在各種高精度測距的場合自動氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測試、自動任意外形物體密度測試儀等，它具有測試速度快，能到達毫米級的測量精度等優(yōu)點，在工程上的開發(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４０ｋＨｚ的超聲波探頭、一塊ＭＣ４０６９ＵＢＥ或ＬＭ３２４就可以組裝成一臺高性能測距報警掌握器。料裝置上探測物料、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時鐘信號輸入，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)動電極，靜態(tài)為低電平，驅(qū)動時輸出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