实验四 超声波测距电路设计--改后

实验三超声波测距电路设计

一．实习的性质：综合

二．实验目的：

通过本实验了解和掌握超声波传感器测量的原理和方法，加深理解超声波传感器的处理电路设计，掌握温度补偿的办法及提高测量精度的方法。

三、实验的时间分配：总学时12学时

1、电路设计4学时

2、电路焊接4学时

3、电路调试4学时

四、实验地点：东一教811和816实验室

五、实验要求：

1、理解超声波测距原理及方法。

2、根据给出的题目，参照附录中给定的题目所需的参考资料，自行设计超声波测距的发射与接收电路，并理解和掌握整体电路的设计思路和电路的工作原理。

3、根据设计的电路图独立完成电路的焊接及调试工作，掌握焊接方法及调试步骤。

扩展练习：采用单片机实现超声波测距的原理、方法及接口电路的设计。

六、实验原理

声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。

1)次声波：振动频率低于l6Hz的机械波。

2)声波：振动频率在16—20KHz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。

3)超声波：高于20KHz的机械波。

超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。

超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。

超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。取决于两种介质声阻抗特性。和其他声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射 (或漫射)及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。

以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器 (或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。本实验采用的是压电式超声波传感器, 主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称

接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

6.1压电式超声波传感器的原理

目前，超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。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。在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。

压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，且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，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时即为超声波接收器。

6.2超声波传感器的测距原理：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340t/2

图1 超声波传感器结构示意图

为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关

系： v=331.4+0.61T

式中，T为实际温度(℃)，v的单位为m/s。

七．注意事项：

1.使用电烙铁注意安全。烙铁会产生高热，万一不小心碰触将会导致严重烫伤，

使用时千万要小心。

2.焊接每个结点不要超过一秒钟：焊接时间过久，会导致焊锡过热反白，电子

零件也会因为过热而损坏，因此要特别注意焊接时间。正常不过热的接点，焊锡会

呈现金属光泽。

3.接点形状：以立体圆弧形状为佳，过大、过小、尖塔状、孔隙没有填满都是

不良的接点形状。

4.检测电子零件：试问您在焊接之前，是否确定每一个电子零件都是好的？是

否都用万用表作过测量？任何一个电子零件故障，都会导致整个电路无法正常工作，所以这个程序是绝对必要的，您检测了么？

八．成绩考核：

1.电路设计：30分/4学时

2.焊接电路：30分/4学时

3.电路调试：30分/4学时

4.实验报告：10分

九、参考资料：

附录一：超声波测距系统的发射与接收电路的设计

在工程实践中，超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。

1、超声波测距原理及系统组成

超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为v，则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出：D = v t /2 ，图2是相应的系统框图：

图2 超声波测距系统组成框图

基本原理：经发射器发射出长约6mm，频率为40KHZ的超声波信号。此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。

2、电路原理

2.1 超声波发射电路