超声波传输特性

第40卷　第2期厦门大学学报(自然科学版)V o l.40　N o.2　2001年3月Jou rnal of X iam en U n iversity(N atu ral Science)M ar.2001　

文章编号:043820479(2001)022*******超声传输特性和超声传感系统研究

许天增1,许克平2,许　茹2,许水源1,程　恩2,童　峰1

(1.厦门大学海洋学系;2.厦门大学电子工程系,福建厦门　361005)

摘要:研究了空气介质中超声波的辐射、传播、散射和接收等规律性,作为超声传感系统设计的理论基础和具体参数选择的依据.简述3种具有创新性的超声传感系统:混凝土喷射机械手超声测距测向系统、超声地形障碍检出传感系统和移动机器人超声传感系统的设计和实验结果等.

关键词:超声传输;超声传感器;移动机器人

中图分类号:TB551文献标识码:A

通常频段超声波传输不受烟雾、粉尘的影响.超声测距仪的测量距离和精度能满足一般工程上的需要,且具有成本低、使用方便等优点,已广泛地使用于工矿、水文等领域的定向测距.但通常的超声测距仪难以形成移动机器人的超声传感系统,因为这类超声传感系统要有高的稳定性和可靠性,测量的精度也要求很高.有些传感器必须工作于诸如坑道混凝土喷射现场或风沙雨雪的野外环境,声波传输条件和受感目标复杂而多变,膜片式超声换能器无法使用,通常的信号处理方式也不适用.因此,设计使用于特殊要求的移动机器人超声传感器,就成了当前被广泛关注的一个研究课题.本文从超声传输特性的研究入手,寻找影响超声传感器性能的原因和解决的途径,研制了具有独创性的3种超声传感系统:混凝土喷射机械手、地形障碍和自动导引车超声传感系统.这些超声传感系统的设计原则和实验结论等在文中作了简要的论述.

1　混凝土喷射机械手超声传感系统

在现代快速施工,特别是野战工事快速构筑等作业中,混凝土通过输料车、湿喷机并最终由喷射机械手上的喷嘴直接喷射于受喷基底面上.实验证明,当喷嘴与受喷面距离80c m,且喷射流与基底面垂直时,混凝土反弹而溅落在地面的比例最少.以往是依靠人力来操作的,这是一项极费体力而且定距和定向均很难精确控制的操作.如何实现喷射机械手的智能化,使得喷嘴基本上处于最佳工作状态,就成了一个极待解决的国际难题.

从原理上说,采用超声传感器有可能解决此难题.但由于喷射机械手作业条件的恶劣和受

收稿日期:2000202215

基金项目:国家863计划(8632512210221)和国家自然科学基金(69385006)资助项目

作者简介:许天增(1936-),男,教授.

感目标(如坑道爆破面)的复杂和多变,具体的实现却很困难,需要对超声传输特性和传感器进行仔细的分析和研究.根据施工作业的具体要求,混凝土喷射机械手超声传感系统——超声测距定向仪的具体指标如下:1)基底取样线度:25c m 左右;2)测距范围及精度:0.7～3m ,±5

c m ;3)垂直和水平测角范围及精度:0°

～45°,±5;大于45°,以45°计;4)避障探测:喷嘴前方小于70c m 、左右方向小于50c m 的障碍物.为了探测喷嘴至受喷面的距离,只需测量装于喷嘴上的超声换能器辐射声脉冲并经受喷面反射来的声波传输的时间,在声速已知的条件下,就可算得距离的数值.为了测量喷射方向与受喷面在水平和垂直方向的倾角,就要由指向性很尖锐的几个换能器布阵来实现,以便由水平方向和垂直方向上的相对声程差换算成倾角.在阵列中,距离可取多个换能器的测距平均值.有时喷射方向与受喷面的倾角有较大的突变,测距范围要加大,留有余地地取3m .在实际的操作中,当测量距离大于或小于80c m ,就给控制系统传递喷嘴“前进”或“后退”的信息;当喷射方向与受喷面有大于5°的倾角时,就传递使喷嘴左、右或俯、仰转动的信息,而无需传送具体的倾角值.

如上所述,这类超声传感系统的工作原理虽然较简单,但在具体实现上却碰到许多技术难题,必须仔细地逐一解决,才能实现稳定、可靠的超声传感.

1)本传感系统工作于坑道中的湿喷机上,换能器表面受到混凝土(特别是石块)的冲击和堆积.使用通常的纸质或薄金属振动膜片作声波的辐射和接收面是不可能的.考虑采用压电陶瓷片并作必要的钢片粘合,以获不同的工作方式和工作频率.但由于钢片和空气的声阻抗相差达105,二者的阻抗匹配极为困难.为解决此难题,除提高发射功率和接收灵敏度外,着重研究了耦合层的特性和应用,从而大大地提高了空气介质中超声的辐射和接收性能,并作为换能器防碰和防腐的隔离层.

2)余振的克服:本装置需采用多个换能器的阵列,以收、发合一为宜.但气介中换能器负载轻,加上高增益接收电路的拖延和换能器支架等的耦合,在较大功率激励下,将产生较长的余振,使近距离探测成为不可能.采取适宜的振动方式,降低Q 值和去机械耦合以及采用灵敏度时间控制电路等综合措施,可使余振大大减小,符合整机要求.

3)锐指向性的获得:喷射面取样判断的面积为线度25c m ,因此换能器的指向性必须很尖锐,以提高方向分辨率和提高测距精度.并且要抑制旁极大,以免产生误判.为此要采用较大发射面的换能器,工作于较高的频率,特别要注意换能器的安装方式,就可获得半功率全角为2°～3°的尖锐指向性,满足本传感器的要求.

4)小掠射角下回波的获得:在反射壁起伏大的情况下,超声波有时以小掠射角入射.如有关参数选择不当,入射声能将在通常反射方向行进,反向散射波很弱,检测就很困难.解决办法除提高功率外,尚需提高工作频率,使声波波长远小于壁面起伏线度,这时可把表面视为粗糙的,漫散射起主导作用,就有一定分量的反向散射被接收.当然,工作频率的提高,传输衰减,特别是信道中散射效应提高了.功率提高也使余振加宽.这些相互制约的因素要在实践中仔细调整而最后确定.

5)换能器工作于垂直向上及附近时,混凝土在其表面堆积可达几厘米厚,严重地影响超声波的辐射和接收,必须及时给以清除.

6)混凝土溅射产生的回声干扰信号及其影响的抑制:上述的干扰信号在某些工况下是很强的,特别是在喷射顶面反射的混凝土落在距离换能器较近时,因此就有一个在强干扰背景下

・

403・ 厦门大学学报(自然科学版) 2001年