超声波传感器十篇

超声波传感器篇1

[关键词]超声波 传感器 疾病诊断 测距系统 液位测量

一、超声波传感器概述

1.超声波

声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

超声波的特点:(1)超声波在传播时,方向性强,能量易于集中;(2)超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离;(3)超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质产生效应)。

2.超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。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,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。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。 超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

二、超声波传感器的应用

1.超声波距离传感器技术的应用

超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。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。

2.超声波传感器在医学上的应用

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。

3.超声波传感器在测量液位的应用

超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

4.超声波传感器在测距系统中的应用

超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

三、小结

文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发,讨论了超声波传感器的原理与特点,并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用。但是,超声波传感器也存在自身的不足,比如反射问题,噪声问题的等等。因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。

参考文献:

[1]单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.

[2]栗桂凤,周东辉,王光昕.基于超声波传感器的机器人环境探测系统.2005,(04).

[3]童敏明,唐守锋.检测与转换技术.中国矿业大学出版社.

超声波传感器篇2

【关键词】超声波传感器；探测；烟草；包装机；应用

【中图分类号】 TP732【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0016-01

相较于可闻声波，超声波具有传播方向性强、能量易于集中，能在不同媒质中做远距离传播，易于携带有关传声媒质状态的信息等特点，利用其特点制成的超声波传感器广泛应用于透明液体、固体、表明光滑/粗糙的密致材料和不规则物体的检测中，在烟草加工厂用于实现包装检测的闭环控制系统，因此本文笔者将深入探讨超声波传感器在烟草包装机上的应用。

1. 超声波传感器的概述

1.1 超声波传感器的构成

在二十世纪中期，人们发现在高电压窄脉冲作用下，某些介质的晶体（如石英晶体、酒石酸钾钠晶体）会产生较大功率的超声波，其振动频率在20kHz以上，超出了人耳的听觉范围，具有波长短、频率高、绕射现象小和方向性好等特点。

超声波传感器就是利用超声波的特性而研制成的传感器，其由电源部分、控制部分、发送传感器和接收传感器等部分构成，其中发送传感器由发送器和直径约为15mm的陶瓷振子换能器构成，陶瓷振子换能器能够将陶瓷振子的电振动能量转化为超能量，然后辐射到空气中；接收传感器由放大电路和陶瓷振子换能器组成，陶瓷振子换能器接受波将产生机械振动，然后转化为电能量后进行输出，从而对发送的波进行检测；电源部分可以采用DC12V±10%或者是24V±10%；控制部分主要是控制发送传感器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数、探测距离等。

1.2 超声波传感器的性能指标和应用

超声波传感器的性能指标主要包括灵敏度、工作频率和工作温度，其中灵敏度主要取决于制造晶片的性质，制造晶片的机电耦合系数越大，那么超声波传感器的灵敏度越高；工作频率就是压电晶片的共振频率，当加在其两端的交流电压频率和压电晶片共振频率一致时，超声波传感器输出的能量为最大；超声波传感器的工作温度较低，可以确保其长时间正常工作。

目前超声波传感器广泛应用于医学、金属的无损探伤、测厚和测量液位等，具体说来：（1）在医学上的应用。将超声波传感器应用于疾病的诊断时，当超声波在人体组织内传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就会产生反射回声。每遇见一个反射面，所产生的反射回声就会显示在示波器的显示屏上，而两个界面的阻抗差值就决定了回声振幅的高低。在疾病诊断中使用超声波传感器，能够极大地简化操作程序，提高诊断准确性，并且不会对患者造成损害和痛苦，因此深受广大医患人员的欢迎。（2）工业上的应用。在工业上，超声波传感器的典型应用是对金属的无损探伤和厚度的测量。利用超声波传感器，既可以对材料表面的缺陷进行检测，又可以对材料内部的缺陷进行检测。（3）液位的测量。超声探头发出的超声脉冲信号在气体中传播，遇到空气和液体的界面后被反射，接收到的回波信号后计算出超声波往返的传播时间就可以换算出液位的高度。（4）距离的测量。超声波测距大致有两种方法，一种是取输出脉冲的平均值电压，该电压与距离成正比，测量电压即可测得距离；另一种是测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，被测距离为1/ 2vt。

2. 超声波传感器在烟草包装机上的应用

以前烟草包装机大多采用电容式传感器来对胶位进行检测，但此种方式的缺点是胶缸内搅拌辊作用容易让很多胶液粘到电容式传感器上，从而引发较大的质量事故而影响检测准确性。近年来，随着超声波传感技术的快速发展，烟草包装机上已经开始广泛采用超声波传感器，并且应用效果非常良好。本文将以广泛应用于烟草包装机上的瑞士B aum er公司生产的UNDK 30U6113/S14为例，来对其在胶位检测中的应用进行探讨，图1为该超声波传感器的外形图。

（1）UNDK 30U6113/S14超声波传感器的模拟量如下：

①基本参数：感应范围为30～250mm，声波频率为300kHz，重

复性

②电气参数：工作电压为15～30VDC，电流消耗（最大）为35mA，

输出电路为电压输出，输出电流

采用短路保护和反向极性保护；③机械参数：外壳材料采用多元

酯/压铸锌，直径为30mm，长度为65mm，深度为31mm，

连接器采用连接头M12。

（2）工作原理：通过压频转换器，UNDK 30U6113/S14超声波传感器将检测到的输出值传输给CPU，然后CPU会将超声波传感器检测到的值与软件内部设定值进行逻辑运算，根据计算结果来确定胶泵是否像烟草包装机的小盒胶缸内注胶，以及注入胶量的多少。当胶位超出规定的限制时，会出发报警信号并停止包装机的运作，同时CPU会持续地比较超声波传感器检测到的输出值是否在胶泵注胶的上限限值间，如果输出值超过限值，那么就会提示“胶位读取不协调”，并且发出警报。

（3）UNDK 30U6113/S14超声波传感器的设定。对于UNDK 30U6113/S14超声波传感器而言，其输出信号有两种方式，即0～10V/ 10～0V，这里将以0～10V为例来说明怎么对其进行设定。首先为了恢复出厂设置，需要拔下UNDK 30U6113/S14超声波传感器的电源插头后再插上，接着一直按着Teach-in按钮约两秒，待双色的LED灯显示为红色或黄色，再松开Teach-in按钮；然后开始0V的设定，此时压住弹簧，让一张背面向上的盒皮尽可能接近传感器，然后按下Teach-in按钮；最后开始10V的设定，将盒皮背面放置在胶体导轨上，然后按下Teach-in按钮。当两个双色LED亮的时间超过2s时，说明按下Teach-in按钮过程完成。

（4）UNDK 30U6113/S14超声波传感器的参数调整。在具体操作中，粘胶的水平理想值一般控制在5000mA左右，粘胶的水平最高临界值一般控制在4500mA左右，粘胶的水平最低临界值一般控制在5500mA左右；胶位偏差-涂胶器接近值一般控制在500～1000mV的范围内；最佳位的变化一般控制在在50～100mV的范围内。在调整胶位偏差-涂胶器接近值参数时，要尤其注意其应该大于胶缸处于最低位时胶位的实际值与粘胶水平理想值的差值，否则机器会显示“胶位读取错误”，并发出报警信号且不能复位。

3. 小结

从前文的分析可知，超声波传感器具有操作简单、使用方便且成本较低的优点，目前已经广泛应用于自动化生产过程中。将Baumer公司生产的UNDK 30U6113/S14超声波传感器应用于烟草包装机上，能够很好地进行胶位的检测，便于设备处于最佳工作状态，产品处于最好的质量。当然，超声波传感器在烟草包装机上的应用还存在一定的缺陷（如噪声问题），这需要日后的进一步研究和完善。

参考文献

[1] 曹瑞，包空军.基于超声波传感器新技术的应用[J].科技信息，2009（3）

超声波传感器篇3

它可用于防盗，如有人(或物)进入(或离开)设定的报警范围，继电器J吸合。继电器触点用于启动报警器或录像机等；也可用于汽车倒车防撞报警、自动控制等等。

工作原理

超声波发送器和接收器合称为传感器。传感器发出40kHz超声波，同时单片机开始计时。超声波碰到被测物，有一小部分反射回来，称为回波。传感器收到回波，单片机停止计时。所测时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间，乘以超声波在空气中的速度，就是往返距离，一半距离就是要测的距离。单片机开始计时后，只要传感器收到回波，单片机就停止计时，即最先返回的超声波才起作用，也就是总是测到离传感器最近的物体的距离。

电路如图1所示，它采用单片机AT89C2051控制，单片机的P3.0脚发出40kHz 脉冲，经非门N2和N1，送到超声波发送器TX。超声波接收器RX把收到的回波信号送运算放大器放大，经三极管C945送到P3.3脚。P3.5脚是警报输出，低电平有效。如测量值达到设定报警距离值，P3.5输出低电平，直接驱动继电器J。P3.4是“没有回波”信号输出，当发送器发出超声波，超过一定时间，P3.3仍没有收到回波，就认为“没有回波”，P3.4输出低电平。

使 用

设定报警距离值 K8~K3用于设定报警距离值，如图所示，K8~K3分别代表0.50~3.00m。优先次序是K8~K3，即若K8闭合，不管其它开关闭合与否，设定的报警距离值都是0.50m；同理，若要设定报警距离值为2.00m，K8、K7和K6一定要断开，K5闭合，K4和K3闭合或断开都可以。如果K8~K3都断开，设定距离值为3.50m。

设定大于或小于 K2用于设定“< >”。 K2断开，当测量值小于设定的报警距离值时，继电器J吸合；K2闭合，当测量值大于设定的报警距离值，继电器J吸合。

例如要设定距离传感器小于1.5m时报警，K8和K7需断开；K6闭合；K5、K4和K3任意；K2断开。

设定“没有回波”

K1断开，“没有回波”不起作用；K1闭合，“没有回波”时，继电器J吸合。

上述已提到，当发送器发出超声波超过一定时间，P3.3仍没有收到回波。没有收到回波的原因是离被测物太远(大于3.60m)，没有超声波被反射回来；回波信号太微弱或传感器电路有故障。电路故障的可能性比较小，这里只考虑信号微弱。由于本电路发出超声波不够强，而且要经被测物反射回来。如果传感器被测物表面是平面，且与传感器轴线垂直，这是最佳情况，回波信号最强，本装置可测量最大距离3.60m。如果传感器与被测物表面不垂直，最大测量距离会小一些，要看具体情况而定。通常情况下，被测物表面不规则，超声波经被测物漫反射回来，就更微弱了。例如测量与人体的距离，距离大于1.8m，就可能出现“没有回波”，这时 P3.4输出低电平。用下面的方法可以把防盗报警距离延长到3.60m。

如图2（a）所示，假如一条小巷两边墙壁距离不超过3.60m。把超声波传感器装于一边墙壁，传感器轴线垂直于另一边墙壁。把报警范围设定为“

安 装

超声波传感器篇4

关键词：三维风速测量；相位差；超声波；向量法

DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.009

中图分类号：TP274.5

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）04-0045-05

0引言

近年来，由于超声波检测技术应用在风速测量中，相较于机械式、热式等测量方法非接触，无磨损，测量速度快精度高，维护成本低等使研究利用超声波进行风速测量成为了一个较为热门的课题现阶段国外对该技术的研究已经较为深入，而国内在研究将超声波用于风速测量方向上正处于快速发展阶段，国内对于利用超声波对一维或二维风速的理论研究成果较多，而对三维风速测量的理论研究成果较少，同时，现有的研究采用超声波测风速理论均采用时差法，由于该方法需要用间歇式脉冲来驱动超声波传感器，因此时差法避免不了超声波传感器本身存在的起振余振的问题，虽然有许多这方面的研究，但这些研究较多依赖于DSP及CPLD等高速器件，且没能从根本上解决问题，针对时差法的问题，本文研究了一种基于相位差的超声波三维风速测量方法，该方法采用连续驱动超声波传感器的方式，避免了超声波传感器本身存在起振余振的问题且电路成本较低，无需高速器件即可实现对风速快速、准确测量，

1.相位差超声波三维风速测量基本

原理

超声波三维风速测量技术基于向量空间投影分析法，采用此技术的重点是准确获得声波上承载的流体信息以及向量的空间分解与合成，超声波时差法测风速基本原理是通过测量同等声程下超声波脉冲顺风和逆风传播时间差来反映风速，如图1所示，由超声波发射探头发射一组超声波脉冲，从发射激励脉冲到接收到第一个脉冲的超声波传播时间为f，则t=L（V0±v）式中三为传感器之间的距离，V0为无风时超声波的传播速度，v为风速，根据该公式可以求出风速v，这便是时差法原理，

然而，驱动脉冲发射过程中，超声波换能器晶片将经历受迫振动、平衡振动和衰减振动3个状态，并且接收超声波过程中，由于压电晶体具有一定的振动惯量，接收到超声波后，振幅是按照指数曲线增加的，要经历几个周期才能饱和，而且当发射信号结束时，晶片还要保持几个或十几个周期的余振，因此很难准确判断超声波到达以及结束的时刻，而本文的相位差测量方法则将时间差转换为相位差，运用该方法超声波传感器一直处于连续的工作过程中不存在间歇式的脉冲驱动，因此相位差法避免了超声波传感器起振余振的问题，相对于时差法相位差法具有电路成本低（不依赖高速器件）、软硬件易于实现等优点，本文超声波三维风速测量传感器配置形式设计为正四面体结构，其中四个收发一体的超声波传感器分别位于正四面体的四个顶点，配置形式如图2所示，

某一时刻，假设风秽沿某一角度吹到传感器结构上（如图2），根据三维空间向量投影关系，只要求得v在正四面体任意两个面上的投影向量，根据该投影向量写出投影面方程，联立投影面方程便可求出风速v。

2.任意面风矢量合成算法

风矢量（面分量）可以由如下步骤计算：由硬件电路控制四个收发一体的超声波探头轮流收发一个周期，这时可以获得风矢量在每个面三角形上的分量在各面三角形边上的分量大小，根据各边上的分量进行合成，便可求出风矢量在每个面三角形上的分量。

4.验证与结果分析

超声波传感器篇5

Abstract： This paper introduces the application method of the 600 series high sensitive ultrasonic sensor based on SenComp company in the autonomous mobile robot obstacle avoidance. It uses multiple sensors to form a perception system， and sends the sampled environmental data through CAN bus into the main controller. SCM C8051F040 is selected to support Controller Area Network （CAN）. The system hardware and software design is introduced in detail.

关键词：超声波传感器；移动机器人；CAN总线

Key words： high sensitive ultrasonic sensor；mobile robot；CAN bus

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）04-0200-02

1 概述

要想使自主移动机器人系统完成避障、环境地图的建立、定位、路径规划等任务，机器人必须具备实时采集环境信息的能力，而这离不开实时感知环境信息的传感器系统的支持。因此在移动机器人中开始越来越多的应用各类传感器，比如超声波、激光、红外、视觉等。在移动机器人感知系统中声呐超声波传感器的应用最为广泛，因为其具有处理信息简单、性价比高、速度快、硬件实现方便等优势。需要注意的是要想实现机器人对环境的感知，单个超声波传感器是无法做到的，因此机器人的感知系统都是多个传感器组成的，本文超声波发射器逐个轮流发射，但所有接收器同时接收。传感器布局如图1所示[1]。

本文采用SensComp 600系列声呐传感器，该传感器具有很强的接收灵敏度，因为它将6500测距模块和600系列超声波探头、探头中心频率50kHz整合起来了。该传感器的触发方式有两种，分别是内部触发和外部触发，I/O接口均兼容TTL逻辑电平，正常工作电压范围为6～24VDC[2]，波束角度15° （-6 dB），低响应特性 量程：6英寸～35英尺 非常好的接收灵敏度，如图2。

600系列同时具有发送和接收声波的功能。在假设声波的传输速度不变的情况下，通过测出声波从发射点到目标物体往返传输所需的时间，就可以测算出距离，超声波测距数学公式如式（1）。

式（1）中，D（单位为m）表示声波发射点与目标物体的距离；t表示声波往返发射点和目标时间。式（2）中，T为绝对温度；c0为声波，表示当0℃时，空气中的传播速度为331.4m/s。

SensComp 600系列声呐传感器的操作模式有单回波模式和多回波模式两种。在单回波模式下，输入引脚INIT电平跳变为高电平时传感器发送超声波，然后等待发送的声波反回，最后返回的信号被放大，并且在输出引脚ECHO输出高电平。从引脚INIT变为高电平到ECHO跳变为高电平的时间即为声波从传感器到障碍物往返所用的时间。在实际测距的过程中，SensComp 600系列只需采用单回波模式即可。

2 硬件电路设计

信息采集处理器对于测量系统而言不可或缺，本文设计中采用的是美国SliconLabrary公司的单片机C8051F040。C8051F×××系列单片机具有很强的兼容性，因为其具有8051兼容的微控制器内核。片内不仅具有标准8052的数字外设部件，还具有数据采集和控制系统等其它的很多数字外设部件，这就意味着其具有比标准8052更多的功能。C8051F040采用高速、流水线结构CIP-51内核，功能强大。汝100KS/s的12位ADC、控制器局域网控制器（CAN），6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，温度传感器、可实现硬件的SPI，SMBus/IIC和两个UART串行口，64KB可在系统编程的FLASH存储器等。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置在端口I/O引脚。该特性决定了用户可以依据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。因此选用此单片机完全能满足设计要求。

根据自主移动机器人在复杂的非结构化环境中工作的功能要求进行设计，将各个功能模块化设计，控制系统组成如图3所示。

整个移动机器人控制系统的数据接收由CAN总线实现。超声波测距和其它传感器模块通过CAN总线实现与主控制器DSPIC30F4011指令的接收和测量结果的反馈，主控制器对超声波测距模块、其它传感器模块采集到的信息进行融合，识别当前环境，从而控制命令对驱动电机进行控制以实现机器人避障导航。

DSPIC30F4011属于16位单片机，是Microc hip公司新推出的DSPIC30F系列中的一款。由于DSPIC30F4011将单片机和DSP有机的结合在一起，扬长避短，使得DSPIC30F4011不仅具有单片机的所有优势，还具有DSP的高速运算能力。片上集成的CAN模块，可以实现其与其它数字信号控制器或CAN模块的通信，并且通信不受周遭环境的干扰，DSPIC30F4011单片机上集成的CAN模块也是一个通信控制器，可以实现BOSCH规范中定义的CAN 2.0 A/B 协议。

3 控制系统软件设计

在程序开始运行时首先要进行输入输出初始化，然后对CAN网络初始化。在CAN网络初始化后，各个控制器才会遵循CAN2.0B通讯协议。对CAN总线上的信息进行接收。如图4所示。

C8051F040有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，PCA捕捉中断程序，流程图如图5，其目的是完成超声波传输时间检测，PCA设置为上升沿捕捉模式。在超声波传感器引脚INIT上升沿起，PCA开始计时，当PCA的引脚跳变为高电平时，即传感器ECHO变为高电平时计时结束。但如果超过一定时间一直没有收到回波，就要重新进行下次测量。

4 系统精度测量对比数据

为标定系统测量精度，采用硬平木板作为障碍物进行测量，并用钢卷尺测量实际距离。在前左方45度角，前右方45度角，左侧，右侧，后方左侧45度角，后方右侧45度角进行测量精度试验，系统测量范围为15cm～200cm，验证多传感器自主移动机器人对环境的感知情况。由于门电路延时等原因，测量距离要大于实际距离。超声波测距系统测量值与实际值数据比较，具体如表1表示。

5 结论

设计了一种基于CAN总线通讯的多传感器测距的自主移动机器人控制系统，制定了CAN总线的通信协议。采用SensComp600声呐传感器和单片机C8051F040设计实现了测距，只需很少的硬件即可。不足之处是，由于SensComp600声呐传感器受温度影响较严重，改系统中没有进行温度补偿，会影响实际的测量数值。另外单片机C8051F040功能没有全部使用，可以设计更多功能，来扩展该系统。

参考文献：

[1]李亚楠，王金柱，马继存，孙文理.基于C8051F352单片机的弹道参数测量系统设计[J].传感器与微系统，2015-05-20.

[2]郑旭亮，刘大维，于士友，等.基于CAN总线的自主移动机器人声呐数据采集系统研制[J].河南科技大学学报，2008，20（2）：38-41.

超声波传感器篇6

关键词:超声成像;波束成形;多普勒

概述

通过发射超声能量进入人体,接收并处理返回的反射信号,相控阵超声系统可以生成体内器官和结构的图像(图1),映射血液流动和组织运动,同时提供高准确度的血流速度信息。传统设计中,构建这样的成像系统需要大量的高性能相控阵发射器和接收器,使得车载设备体积庞大且价格昂贵。最近几年,随着集成工艺的进步,设计人员能够获得小尺寸、低成本而且高度便携的成像系统方案,并可达到接近大型成像设备的性能指标,图2给出了超声成像系统的原理框图。而新的设计挑战依然存在,即在进一步提高方案集成度的同时提高系统性能和诊断能力。

超声成像系统的设计考虑

传感器

成像系统的关键器件是超声传感器。典型的超声成像系统需要使用各种传感器支持特定的诊断要求。每个传感器由一组压电传感器单元阵列构成,它们集中能量并发射到人体内部,然后接收相应的反射信号。每个单元通过纤细的同轴电缆连接到超声系统。通常,传感器由32至512个单元构成。工作频率为1MHz至15MHz。多数超声系统提供两个至四个传感器转换接口,临床医生可根据不同的检测类型方便地更换传感器。

高压复用开关

典型的相控阵超声系统配备了32个至256个发射器和接收器。有时,系统配备的发射器和接收器的数量少于传感器单元的数量。这种情况下,需要在传感器或系统中安装高压开关,用于信号复用,开关连接在特定的传感器单元和发送/接收器对。由此,系统能够在所提供的传感器阵列中动态改变有效的传感器孔径。

成像系统对高压开关的要求主要包括几个方面:必须能够承受电压摆幅高达200Vp.p目峰值电流高达2A的发射脉冲:开关必须能够迅速切换,以快速调整有效孔径、满足图像帧率的要求;最后。这些开关还必须具有极小的电荷注入,从而避免杂散传输以及相关的虚假图像。Maxim开发的MAX14800可为超声成像系统提供16通道高压开关,该系列器件采用HVCMOS工艺,提供16个高压低电荷注入SPST开关,由数字接口控制。同一系列的MAX14801在每个切换端集成了35kΩ泄漏电阻,用于对容性负载放电:MAX14802提供集成的钳位二极管,用于过压保护,防止正向电压过冲。

高压发射机

数字发射波束成形器用于产生所要求的数字发射信号,以正确的时间和相位生成聚焦发射信号。高性能超声系统可通过任意波形发生器产生复杂的发射波形,从而优化图像质量。发射波束成形器以大约40MHz速率生成8位至10位数字字符,并以此产生所要求的发射波形。数/模转换器将数字波形转换成模拟信号,通过线性高压放大器进行放大,用于驱动传感器单元。由于这种发射技术占用较大体积,而且价格昂贵、需要消耗较高能量,所以,这种架构只限于昂贵的非便携设备。多数超声系统并不使用这种发射波束成形技术,而是采用多级高压脉冲发生器产生需要发射的信号。在这种替代方案中。利用高集成度、高压脉冲发生器快速切换传感器单元至适当的可编程高压电源,产生发射波形。为了产生一个简单的两极发射波形,脉冲发生器需要交替地将传感器单元切换到由数字波束成形器控制的正、负发射电压。更复杂的设计可以让传感器单元切换至多路电源和地,从而产生更复杂、性能更好的多重波形。

近几年,随着二次谐波成像的广泛应用,高压脉冲发生器对于斜率和对称性的要求越来越高。二次谐波成像利用了人体的非线性声学特性。这些非线性倾向于将频率‘的声能转变成2f频率。多种原因使得接收二次谐波信号能够获得更高的图像质量,因此,二次谐波成像得到了广泛应用。二次谐波成像有两种基本的实现方法。一种称为标准谐波成像,尽可能抑制发射信号的二次谐波。从而使接收到的二次谐波主要源于人体的非线性。这种模式要求二次谐波的发射能量至少低于基波能量50dB。所以,发射脉冲的占空比要求是准确的50%且误差小于。另一种方法称为脉冲反相,利用反相后的发射脉冲产生同一图像路径的相位相反的两路接收信号。在接收器中对这两路反相接收信号求和,恢复由于人体非线性产生的谐波信号。这种脉冲反相的方法必须在叠加时尽可能抵消发射脉冲的反相成分。所以,高压脉冲发生器的上升时间和下降时间必须严格一致。

成像通道接收机

超声成像通道的接收机用于检测二维(2D)信号以及彩超流体成像所需的脉冲多普勒(PWD)信号和频谱PWD。接收机包括发送/接收开关、低噪声放大器、可变增益放大器、抗混叠滤波器和模/数转换器(ADc)。

Tx/Rx开关

Tx/Rx开关可以保护低噪声放大器免受高压发射脉冲的影响,同时在接收间歇期间隔离低噪声放大器输入和发射机。该开关一般采用一组正确偏置的二极管阵列实现,当有高压发射脉冲出现时,它们会自动闭合或断开。Tx/Rx开关必须具备很快的恢复时间,以保证接收机在发射一个脉冲后能够立刻开启。这些快速恢复时间对于浅埋成像和提供低导通电阻确保接收灵敏度至关重要。

超声波传感器篇7

【关键词】倒车雷达;温度补偿;电噪声低;精度高

1.引言

我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。超声波发生器可以分为两大类：一类是电气方式产生超声波;另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等;机械方式有加尔统笛，气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡[1]。传播速度仅为光波的百万分之一，纵向分辨率较高。利用超声波检测距离设计比较方便，计算处理比较简单，可以达到日常某些精度要求不太高的场合。但是，在汽车的倒车雷达系统中，由于倒车速度如果过快，或光线不足、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下，容易出现误报、慢报车后障碍物距离，给车或障碍物造成不必要的伤害。故笔者提出一种采用DS28B20集成芯片的温度补偿电路，供给上述超声波测距系统中，改善了它的不足之处。

2.总体方案设计

超声波的发射电路有三种[2]：一种是通过使用三极管将单片机的发射信号进行放大而实现的;另一种是使用时基电路555来产生振荡信号的：第三种则是通过使用反相器将单片机输出地发射信号强度提高来实现的。

为了能够设计出精度较高，操作较简易且价格低廉的倒车雷达系统，综合各方面的因素，我们决定采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字实时显示，同时加上DS18B20温度传感器实现温度补偿，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，使用上述的第三种发射电路。该倒车雷达系统设计框图如图1所示：

图1 系统设计框图

图2 单片机系统及显示电路

硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、温度补偿电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分。

2.1 单片机系统及显示电路

单片机采用比较常用的AT89C52或其他兼容的系列。系统采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差[3]。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管。单片机系统及显示电路如图2所示。

2.2 温度补偿电路

稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件。而超声波在空气中传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响[4]。其中温度影响最大，超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为：

由泰勒公式将其展开，可得到近似计算公式：。

式中，T是环境摄氏温度（℃）。所以，温度每变化1℃，声波的速度变化为0.6m/s。可见温度对声速影响很大，测量时必须进行温度补偿。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围为-55～125℃。最大分辨率可达0.0625℃。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用了线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20温度传感器接法电路如图3所示：

图3 DS18B20温度传感器接法电路

2.3 超声波发射电路

超声波发射电路原理如图4所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40KHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，可以提高驱动能力。上拉电阻一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力;另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板超声超声波，这时它就是一个超声波发生器;反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同。

图4 超声波发射电路原理图

2.4 超声波检测接收电路

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距的超声波频率40KHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载;其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A 接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减少电噪声。

图5 集成电路CX20106A的接法电路

3.软件设计

倒车雷达的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。下面对倒车雷达测距器的算法、主程序、超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。

3.1 倒车雷达的算法设计

超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器接收到。这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。该距离的计算公式如下：

d=s/2=vt/2，其中d为被测物与测距器的距离;s为声波来回路程;v为声速;t为声波来回所用的时间。由2.2温度补偿电路的设计中知道，超声波的速度与温度有关[5]。表1列出了几种不用温度下的超声波声速。在进行测距时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

表1 不同温度下声速与温度关系表

温度/0℃ -30 -20 -10 0 10 20 30 100

超声波速度 313 319 325 331 338 344 349 386

表2列出温度补偿后不同声速与温度关系表，可以看出0℃以下基本相同，0℃以上最大误差不超过5%。

表2 补偿后声速与温度关系

温度/0℃ -30 -20 -10 0 10 20 30 100

超声波速度 313 319 325 331 337 343 349 381

3.2 主程序

主程序首先要对系统环境初始化，流程图如图6，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许为位EA并对现实端口P0和P2清0;然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于频率是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，所以当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式d=vt/2计算，即可得被测物体与测距器之间的距离。设计时取20℃时的声速为344m/s，则有：

d=（172T/10000）cm

其中：T为计算器T0的计数值。

测出距离后，结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

图6 主程序流程图

3.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率约40KHz的方波），脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言编程。倒车雷达主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。进入该中断程序后，就立即关闭计数器T0，停止计时，并将测距成功标志字赋值1，如果当计时器溢出时还没检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2，以表示本次测距不成功。

4.结论

本设计主要使用51单片机作为系统核心，加上温度补偿电路和超声波发射以及接受电路作为外设，实现一个比较高精度的，操作简单且价值低廉的倒车雷达系统。该系统经过在实验室中调试，测距范围为0.1～5m，最大的测量误差为1cm，实时播报与同步显示时间间隔小于2秒。我们在保证倒车过程安全的情况下进行调试，即不管倒车速度快或慢，或者人为制造环境因素（烟、雾、温度等），发现超声波的发射换能器（探头）和接收换能器（障碍物）必须与反射物体垂直，不然测出的距离都是超过测距器的测量范围的，这与我们制作的超声波测距器的硬件有关系。

参考文献

[1]符艳辉，李爱芹.基于单片机控制的超声波测距仪的设计[J].农业与技术，2008，28（1）：171-173.

[2]张丹，贺西平.基于单片机的超声波测距系统的设计[J].纺织高校基础科学学报，2008，21（1）：117-120.

[3]吴超，戴亚文.基于AT89S52单片机的超声波测距系统的设计[J].中原工学院学报，2008，19（5）：65-68.

[4]陆冬妹.基于温度补偿的超声波倒车测距系统的设计[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2011（02）：143-145.

超声波传感器篇8

关键词：变压器；局部放电；在线监测技术

中图分类号：X933.2 文献标识码：A

变压器是电力系统中的重要设备之一，随着电力系统的发展，电网电压等级的升高和变压器容量的增加，变压器的安全运行问题越来越受到重视。在变压器发生的故障中，绝缘问题占的比重很大。因此，对变压器局部放电实时在线监测并及时报警，对变压器安全运行及提高电网的供电可靠性具有重要意义。

1 局部放电在线监测的主要方法

根据变压器局部放电过程中产生的电脉冲、超声波、光等现象，目前出现的检测技术有脉冲电流法、超声波检测法、射频检测法、光测法和超高频检测法。

1.1 脉冲电流法

脉冲电流法主要通过检测阻抗来检测变压器 套管末端接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得一些基本放电量。检测放电脉冲的电流传感器通常用罗哥夫斯基线圈制成。该方法灵敏度高，可以定量测量局部放电的特征参数，还可以与声信号一起通过电-声定位方法确定局部放电的位置。

该方法是研究变压器局部放电在线监测技术最早、应用最广泛的监测方法。但检测灵敏度会随着试品电容的增加而下降，而且易受外界干扰噪声（f＜10MHz）的影响，抗干扰能力差，因此无法有效应用于现场在线监测。

1.2 超声波检测法

变压器内部发生局部放电时，同时产生电脉冲信号和超声波信号，通过安装在变压器油箱壁的超声传感器监测变压器内部局部放电产生的超声波信号和电信号，以检测局部放电量的大小和位置。超声传感器的频带约为70～150kHz（或300kHz），研究表明：局部放电产生的声波信号的频谱大都集中在150 kHz左右

1.3 射频检测法

通过传感器监测变压器中性点处或传感器直接在变压器内部截取变压器局部放电辐射产生的电磁波信号，截取频率可达到30 MHz，目前常用的传感器主要有罗可夫斯基线圈、电容器传感器和射频传感器。与超声波法相比，射频检测法提高了测量频率，而且不受变压器运行方式改变的影响，但对于三相变压器来说，该检测法得到的射频信号是三相局部放电信号的总和，无法进行分辨，信号容易受外界干扰。随着数字滤波技术的发展， 该方法在局部放电在线监测中已有较广泛的应用， 尤其是在发电机在线监测领域。

1.4 光测法

光测法是利用局部放电产生的光辐射进行检测。在变压器油中， 各种放电发出的光波长短不同，利用光电探测器监测局部放电产生的光辐射信号，将截取的光辐射信号转化为电信号经放大处理送到监测系统。通常放电产生的光辐射信号波长在500～700 mm之间。光测法不受强电磁环境的干扰，但测量设备复杂昂贵，测量灵敏度较低。

1.5 超高频检测法

超高频检测法（UHF法）通过超高频传感器接受局部放电过辐射的超高频电磁波，实现局部放电的检测。检测变压器内部局部放电产生的超高频(300～3000 MHz)电信号， 实现局部放电的检测和定位， UHF法的频率范围为300～3000 MHz。对变压器而言， 局部放电一般发生在变压器内油-隔板绝缘部位中， 由于绝缘结构复杂， 电磁波在其中传播时会发生多次折射、反射及衰减，同时变压器内箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响， 增加了局放超高频电磁波检测的难度。因此，深入研究油-隔板绝缘和箱壁对超高频电磁波传播机理的影响十分必要。

2 局部放电定位技术

当运行中的变压器局部放电超过允许值时，表明其内部绝缘出现问题而必须进行检查。合格的局部放电在线监测设备，不仅能准确判断局部放电发生的位置，而且为下一步的检修工作提供可靠的依据。目前主要以超声定位法、电-声联合定位法和电气定位法为主。

2.1 超声定位法

超声波定位法主要是根据在局部放电过程中产生的超声波传播的方向和时间来确定放电位置的。包括电-声定位和声-声定位，当发生局部放电时，由于超声波通过不同介质向外传播，到达油箱壁的时间就不同，在变压器油箱外壳安装多个超声波传 感器，由于空间位置不同，检测到局部放电产生的超声波信号时间不同，通过测量超声波传播的延时时间就能确定局部放电源的空间位置。

2.2 电-声联合定位法

电-声联合定位法主要在电-声联合检测法的基础上利用超声波在变压器油和箱壁中的传播速度低于电信号传播速度的特点来实现定位。当变压器内部发生局部放电时，速度较快的电信号先触发监测器，监测器再根据随后超声信号到达的时差大小，推测变压器内部局部放电的位置。

2.3 电气定位法

电气定位可以分为几何定位法和基于模型分析法。当变压器发生局部放电时，产生的放电脉冲沿绕组传播到达测量端， 该放电脉冲包含了放电特 性和局部放电定位所需的有用信息，通过对放电脉冲进行分析，可以确定局部放电源的空间位置。

超声波传感器篇9

关键词：超声波；无损检测；空气耦合；发展

中图分类号：[F287.2] 文献标识码：A 文章编号：

引言

无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反应了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。超声波无损检测在工业中的应用极为广泛，尤其是空气耦合式超声波无损检测技术因为其自身的特点，已经得到越来越多领域的认可。

1、超声波检测技术的发展

超声检测技术的应用依赖于具体检测工件的检测工艺和方法，同时，超声检测还存在检测的可靠性，缺陷的定量、定性、定位以及缺陷检出概率、漏检率、检测结果重复率等问题，这些对超声检测仪器的研制提出了更高要求。

为克服传统接触式超声检测的不足，人们开始探索非接触式超声检测技术，提出了激光超声、电磁超声、空气耦合超声等。其中空气耦合式超声波无损检测技术因其非接触、非侵入、完全无损的特点，特别是能够实现快速在线扫查，使该技术有着很好的应用前景。

为提高检测效率，发展了相控阵超声检测。随着机械扫描超声成像技术的成熟，超声成像检测也得到飞速发展。目前，超声检测仪器已明显向检测自动化、超声信号处理数字化、诊断智能化、多种成像技术的方向发展。

1.1 检测自动化

钢铁和机械行业已经广泛采用了自动超声检测设备和检测流水线，检测管材、线材或其他型材。此外，各种专业检测仪器也不断涌现，如用于探测窄空间管道的遥控自动爬车，用于检测变速齿轮焊缝的自动超声检测系统等。

1.2 超声信号处理数字化

目前，超声信号处理已经广泛采用现代数字信号处理技术（如自适应算法、谱分离处理、小波分析等），既能有效滤除超声回波中夹杂的噪声，又能对检测缺陷的特有属性进行分析，极大的提高了超声检测的准确性。

1.3 诊断智能化

借助模式识别和人工神经网技术，既能智能识别超声检测中的缺陷类别，又能对检测结果的进行智能化评定，在一定程度上降低了人为因素影响，提高了检测结果的准确性。

1.4 超声成像技术

超声成像技术是超声检测技术的又一个重要发展方向。超声成像技术可以提供大量的直观的信息，克服了传统超声检测技术的缺陷显示不直观、难以判断的缺点。

2、空气耦合式超声换能器的发展

空气耦合式超声波检测过程中，超声波的传播主要受三方面影响:超声波在空气中的衰减、气固表面超声波的大量反射、超声换能器的转换效率。前两者在空气耦合式超声波检测条件下为自然现象，无法改变。

这些因素使得超声波传播过程中插入损耗非常高。为了进行高质量信号处理和成像，必须获得高信噪比的信号。所以，高效率、高灵敏度的空气耦合式换能器的研究是此项技术的核心，解决的思路主要有两个方向。

2.1 压电陶瓷超声换能器

从传统的压电陶瓷超声换能器出发，在传感器外表面增加四分之一波长厚度阻抗匹配层，亦或改进传感器的结构等方法，制作适应以空气作介质的换能器。

匹配材料的研究方面，西班牙CSIC声学研究所经过对多种材料特性的研究，提出了两种比较理想的材料(聚醚砜和尼龙)；频率在2MHz以上时可采用混合纤维素脂和聚二氟乙烯，基本解决了匹配材料的选择问题，并首次研究了这些材料的衰减系数随频率变化的问题。

传感器结构研究方面，利用压电陶瓷与高分子聚合物组成的复合体材料形成厚度模式谐振器，采用1-3连接结构，其中压电陶瓷柱组成阵列，由聚合体材料填充，传感器两表面为薄金属膜电极。这种结构能减小传感器材料阻抗，且具有更高的效率和更好的耦合性能。

2.2 静电换能器

采用显微加工技术制作静电换能器(CMUT)。其工作原理是金属化处理后的薄膜附在导体基板上，当给基板和薄膜之间加直流偏压时，由于静电力的作用薄膜会发生变形，施加激励电压即会产生超声波，或者当薄膜接收到超声波振动信号后，由电容变化转换成电信号。其频响宽阻尼性能好特性声阻抗低。

目前应用最广泛的仍然是压电陶瓷类换能器，尤其是在商品化产品中占大多数。压电类换能器具有更大的声功率输出，另外静电换能器相对于压电陶瓷类换能器而言环境依赖性较强，故仍以实验室应用为主。

3、检测方法及其应用

3.1 空气耦合式超声波无损检测方法

(1)穿透式检测。测试件两边各有一个发射传感器和接收传感器。这种检测方式下，可以接收到多种信号。该方式也是空气耦合式超声波无损检测中应用最普遍的一种。

(2)脉冲回波检测。该检测方式多用于表面特性分析和成像。由于试件底面回波信号往往易被试件表面反射信号所淹没，所以较少用于对试件内特性检测。

(3)斜入射同/异侧检测方式。发射传感器和接收传感器在试件同侧或异侧。通过调整入射角度，该方式可在试件内产生纵波、横波、表面波、Lamb波等。

3.2 空气耦合超声波无损检测技术应用

随着换能器技术和相关检测技术的发展，空气耦合超声无损检测技术在各个领域的实际应用取得了较大进展。例如：

(1)立陶宛考纳斯科技大学采用斜入射同侧检测方式，研究了航空用复合材料垂直结构蜂窝板中A0模式Lamb波的板边回波特性，由于损伤区域有很强的能量泄漏，所以可用于检测脱粘和结构损伤等缺陷，并估计其大小；

(2)比利时KATHO集团采用700KHz的空气耦合式传感器，应用穿透式检测方法，研究了纺织品对超声信号的衰减作用，该技术可用于纺织品涂层的不规则性监测；

(3)日本长冈科技大学使用500KHz的静电换能器，研究了材料表面粗糙度特性与散射超声波的扩散特性之间的关系，并与基于基尔霍夫散射模型的理论计算进行了比较。

4、空气耦合式超声无损检测技术局限性

虽然空气耦合式超声波无损检测具有其他超声检测手段不具备的一些突出优点，但这种技术在无损检测和材料分析方面仍有一些局限性。一般来说，声阻抗超高的材料(重金属，高密度氧化物、碳化物、氮化物，金属和非金属硼化物)很难实现在线检测，对这些材料的检测必须采用特殊机制来改进；试件内脉冲回波检测目前难度较大；传感器方面，采用匹配层的方法在提高转换效率的同时也带来了匹配层材料不易获得、带宽较低和高频传感器需要超薄匹配层等缺点。另外，结构上的复杂性和工艺的高精度都使传感器可靠性降低、成本较高，所以应用领域限于特殊应用领域和传统超声无法解决的领域。

5、对我国空气耦合式超声波无损检测技术展望

空气耦合式超声波无损检测技术在复合材料检测、纺织品检测、食品及药品检测、表面特性分析和成像领域有着良好的应用前景，在欧美等发达国家发展迅速且已取得了一些很有实用价值的研究成果。然而，国内在该领域的研究较少，目前仅限少数单位进行了一些理论研究和传感器制造方面的研究，急需加快相关研究工作，才能减小与发达国家之间的差距。

结束语

综上所述，空气耦合式超声波无损检测技术是目前较为先进的一种检测技术，可应用在诸多的领域，但是在我国在该领域研究还存在着不足，因此需要不断地加强对该技术的研究，促进空气耦合式超声波无损检测技术在我国的应用。

参考文献

[1] 夏利利,杨,董正宏. 非接触超声检测技术在航天无损检测中的研究与应用[J]. 装备指挥技术学院学报. 2007(04)

超声波传感器篇10

移动机器人要实现在未知和不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能。在移动机器人的导航系统中，传感器起着举足轻重的作用。视觉、激光、红外、超声传感器等都在实际系统中得到了广泛的应用。其中，超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低，被广泛用作移动机器人的测距传感器，以实现避障、定位、环境建模和导航等功能。

传统的轮式移动机器人超声数据采集系统大多采用单片机作为微处理器，以此来测量移动机器人到障碍物的距离，并将距离通过串口传输到上位机。采用这种设计，系统制造简单、成本低。但是，对于多超声传感器测距系统，如果仍采用单片机来完成测距任务，由于系统中超声传感器数量较多，为保证系统的实时性，就需要多个单片机才能完成数据采集，这使得采集系统不可避免地存在设计复杂和一延续 算法难以实现等缺陷。随着微电子工艺的发展，数字信号处理器（DSP）的应用领域已从通信行业拓展到工业控制领域。TI公司推出的TMS320LF2407A的专门针对控制领域应用的DSP，它具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构，其指令执行速度高达40MIPS，且大部分的指令都可以在一个25ns的单周期内执行完毕。另外，它还具有非常强大的片内I/O端口和其它设置，可以简化电路设计，降低系统成本。正是基于种思想，中国科学院自动化研究所在国家“863”计划的支持下，利用多DSP和嵌入式PC104自动设计和研制了轮式移动机器人CASIA-I。本文着重介绍其超声数据采集系统，同时对通过CAN总线完成的超声数据与上位机通讯的原理和设计过程进行分析说明，并给出实验结果。

图1 超声数据采集硬件原理图

1 超声测距原理

超声测距的原理较简单，一般采用渡越时间法，即：

D=ct/2  （1）

其中D为移动机器人与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率。声波在空气中传输速率为：

其中，T为绝对温度，c0=331.4m/s。在不要求测距精度很高的情况下，一般可以认为c为常数。渡越时间法主要是测量超声发射到超声返回的时间间隔t，即“渡越时间”，然后根据式（1）计算距离。

2 系统硬件设计

在距地面高度为45cm、相隔为22.5°的同一环上均匀分布着16个Polaroid生产的超声传感器，其编号为1#～16#（逆时针安排），超声传感器波束角为30°，超声传感器的最小作用距离为0.45m。超声数据采集板主要有两大模块：一是16路超声器的超声波发射和回波的接收模块，二是与上位（机器人中央控制器）的CAN总线通讯模块。其硬件结构见图1。

TMS320LF2407向I/O端口发出控制信号，启动内部定时器进行计时。此控制信号功率放大后作为超声传感驱动电路启动信号（INIT），超声传感器产生的、遇到障碍物时返回的高频振荡信号经放大（为弥补传播过程中信号的衰减）使超声传感驱动电路的ECHO端产生高电平脉冲。ECHO电平变化经过门电路后引起TMS320LF407A外部中断，在中断程序内获取定时器的计数值，根据式（1）计算距离；否则，认为传感器前方探测范围内无障碍物。

图2 超声测距数据采集程序框图

    因为超声传感器之间的安装位置相差22.5°，而超声传感器的波束角为30°，如果超声波同时发射，必须会有干扰。如果采用轮循方式，即一个接一个地发射超声波，虽然可以消除串扰回波的影响，但是16个超声传感器轮循一次周期较长，降低了采集频率。为了在不降低采集频率的同时消除超声的相互干扰，本系统将16个超声传感器分成A（1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#）和B（2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#）两组，因为同一组内的两个超声传感器安装位置相差45°，通过计算可以知道，这种情况下超声传感器同时工作不会产生干扰，因而每一组里的超声传感器同时工作，组与组之间则采用轮循方式工作。这样既可以到很高的采集频率，同时也满足了系统的实时性要求。每组8个超声传感器的ECHO端分别连接到一门电路，然后通过门电路连接DSP的XINT1和XINT2端。XINT1/2引脚电平发生跳变时会产生外部中断，通过I/O口可以知道是哪个或哪几个传感器引起中断。

TMS320LF2407A内部集成了CAN控制器，通过它可以方便地构成CAN控制局域网络。TMS320LF2407A的CANTX和CANRX接口与CAN收发器SN65HVD230相连，通过SN65HVD230连接CAN总线。SN65HVD230是TI公司生产的专门针对240X系列DSP内CAN控制器与物理总线的接口。它的供电电压和TMS320LF2407A一样，仅为3.3V。由于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，最高传感速率可达到1Mbps。超声采集板的数据能够快速、可靠地传给中央控制器。

3 软件设计

系统软件主要由两部分构成，即超声数据采集与处理模块、CAN总线通讯模块。

3.1 多路超声传感器数据采集模块

超声传感器被分为两组，两组循环交替工作。软件设计上采用两个定时器依次工作，分别对两组传感器进行计时。选择定时器的周期比超声传感器探测最大距离所需的渡越时间稍长。在每个定时器周期开始时，触发一组超声传感器同时开始工作。在定时器周期内，每个回波返回，都会触发一次外部中断（XINT1或XINT2中断），在外部中断处理程序内，将超声波返回时间进行纪录，并将相应的超声传感器关闭。外部中断处理程序非常简短，本系统只用了不到20条指令，并且TMS320LF2407A指令执行速度很快，因而即使因进入外部中断处理程序而延误了对后来回波的处理，但这种延误的时间根据计算不大于0.5μs，由此引入的距离误差根据（1）式计算小于83.5×10 -6m。可见误差非常小，可以忽略不计。当定时器中断时，对于距离大于最大超声探测范围的，没有相应的时间记录，给它们加上超出测距范围的标志。其它的时钟数据都有记录，根据（1）式计算距离，然后启动下一个定时器工作，并触发下一组超声传感器。本文的超传感器的最大探测距离为3.5m，因而超声波探测的最长时间为20.58ms。所以每个定时器的周期选为20.6ms。图2只画出了一组超声传感器的处理框图，另一组与此相，不再多述。

表1 超声测距系统测量值与实际值 单位：cm

实际值456075100125150175200测量值43.2661.4774.76100.17125.20149.84174.63200.78实际值225250275300325350

测量值224.11251.7276.9297.8322.7352.5

由于受环境温度、湿度的影响，超声传感器的测量值与实际值总有一些误差，表1列出了本超声测距系统测量值与对应的实际值。采用最小二乘法对表1的数据进行拟合，结果为：

y=0.9986x+0.2111

式中，x为测量值，y为实际值。

3.2 基于CAN总线的数据通信

超声数据采集板发送测距数据以中断的方式完成。TMS320LF2407A有专门的mailbox中断，用于响应发送/接收中断。每个超声传感器的测距值在DSP内用两个字节存储，而CAN总线传输标准要求每个数据帧最多只能传输8个字节的数据。本系统共有16个超声传感器，共有32个字节存储所有测距值。CAN总线传输所有测距值需要4个数据帧才能传送完。本系统的通讯过程为：中央控制器发送远程请求，超声数据采集板进入接收中断，在中断服务程序内，采用查询方式发送4帧数据，每帧数据包含4个超声传感器的测距值。本系统采用的滤特率是500kbps。TMS320LF2407A用mailbox0接收中央控制器的远程请求帖，用mailbox2发送测距数据值。图3是超声数据采集板的发送数据中断服务程序框图。其中，TA2是对应mailbox2发送数据帧完成标志位，RMP0是对应mailbox0接收数据帧的标志位。关于TMS320LF2407A的CAN模块的具体说明。

图4 中央控制器接收子程序框图