超声波传感器的设计与应用演示教学

超声波传感器的设计

与应用

传感器课程设计

（2010级）

题目：超声波传感器的设计与应用

学员姓

名：xxx

学

号：201003011020

学员姓

名：xxx

学

号：201003011027

学员姓

名：xxx

学

号：201003011003 xxx

二〇一三年九月

目录

...............................................................................................................................................第一章超声波传感器简介........................................................................................

1.1超声波传感器是什么 (2)

1.2超声波传感器应用前景 (2)

第二章超声波传感器设计 (3)

2.1设计目标描述 (3)

2.2 设计指标 (3)

2.3 传感器结构概述 (4)

2.4 传感器设计原理 (4)

2.4.1 物理部分设计 (4)

2.4.2 电路部分设计 (7)

第三章硬件设计 (8)

3.1 单片机设计 (8)

3.2 传感器设计 (11)

3.3 单片机与传感器连接 (12)

第四章软件设计 (13)

4.1 总体设计思路 (13)

4.2 软件程序 (13)

第五章测试结果与分析 (21)

第六章结论 (22)

参考文献 (24)

第一章超声波传感器的设计

1.1超声波传感器是什么

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

1.2超声波传感器应用前景

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有

限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以

满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；

研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。

第二章超声波传感器设计

2.1设计目标描述

此次，我们所设计的超声波传感器预计将

应用在日常生活中一些电子产品之中。所以，我

们所设计的超声波传感器很多相应的指标，要求

不会很高。从而相应降低成本。而在体积方面也

不是特别小。

2.2设计指标

工作电压：DC 5 V

工作电流：15 mA

工作频率：40 Hz

工作温度：-10~+70℃

工作频率：40kHz

图2-1 超声波传感

最远射程：4 m

最近射程：2 cm

测量角度：15度

输入触发信号：10 us的TTL脉冲

输出反馈信号：与射程成比例的TTL输出信号

2.3 传感器结构概述

如图2-3所示，我们所设计的超声波传感器的结构主要部分是一个锥形振子和双压电陶瓷晶片。当压电陶瓷晶片的两极外加电压脉冲信号时，压电晶片利用逆压电效应产生振动。当脉冲信号的频率等于压电晶片的固有频率时，将产生共振效应，从而产生超声波。超声波以疏密形式传播传给接收器。接受器中的压电晶片也会相应振动，利用压电效应产生电信号。实际上这种变化的电信号是很小的，因此要用放大电路去放大。

2.4 传感器设计原理

图2-3

传感器结构示意

2.4.1物理部分设计

压电材料是超声波传感器的关键部分，现在市场较多使用压电陶瓷作为超声波传感器的敏感原件。那么，压电陶瓷的振动模式和它的具体材料将决定超声波的谐振频率。由于我们所需的工作频率是40kHz，可选的震动模式有两种，一个是薄长条的长度伸缩振动模式，其振动的频率范围是：15~200kHz；另一个是圆片厚度弯曲振动模式，其振动的频率范围是：2~70kHz。我们选择第二种，因为它的范围更接近。于是，有

是谐振频率，是频率常数与材料有关，t是厚度，D是直径。

当把两个厚度相同，有电极的圆形压电陶瓷片粘连在一起时，可以产

生弯曲振动，极化方向相反时，以串联方式接入电源，在电场激励

下，整个陶瓷片就会产生厚度弯曲振动。我们在下面的公式推导中，

我们以矩形（正方形）模拟圆形。对于薄板的小挠度弯曲振动其形变

分量可表示为：

其中，u为板的挠度。则其压电方程可以简化为：