超声波测距系统(论文设计)正文、结论、参考文献等

1 绪论
1.1 超声波技术的广泛应用
超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。

1883年Galton 首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。

此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。

由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于超声处理技术中。

20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。

1917年，法国物理学家Paul Langevin用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。

随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。

材料科学的发展，使得应用广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)[1]等。

产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。

产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。

如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。

利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。

由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。

超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。

它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量[2]等。

超声波方法在某些方面具有突出的优点：
（1）超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)；
（2）对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；
（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

因此超声检测法己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。

特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法高[3]。

1.2 超声波测距的研究背景与意义
随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。

还有在很多要时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。

于是，一种新的测距方法诞生了——非接触测距。

超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。

而且超声波传播速度在相当大围与频率无关。

超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。

目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体气孔大小的检测和机械部损伤的检测等。

在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。

此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。

随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。

目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。

与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点[4]：
（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。

（2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。

（3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。

因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。

而我国，关于超声的大规模研究始于1956年。

迄今，在超声的各个领域都开展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。

2 超声波测距技术综述
2.1 超声波
2.1.1 超声波的基本性质
声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。

根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20kHz的声波称为超声波[5]。

波长这样短的超声波具有类似光线的一些物理性质[6,7]：
（1）超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。

在传播中，超声波的速度与声波相同；
（2）超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；
（3）能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。

要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍(如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的)，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器；
（4）功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。

声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。

超声频率高，故可以给出大的功率。

声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。

通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s。

根据声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有以下几种[8]：（1）纵波。

质点的振动方向与波的传播方向一致的波。

它能在固体、液体和气体中传播；
（2）横波。

质点振动方向垂直于传播方向的波。

它只能在固体中传播；
（3）表面波。

质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播。

振幅随深度增加而迅速衰减的波。

从上述分类可看出，只有纵波可以在气体中传播。

因此，目前在空气中的超声波测量系统大多依靠纵波来实现。

而实际测量用的超声波主要集中在频率为
4210⨯kHz ～6
210⨯kHz 的围。

其中，靠近低频段主要用于空气和液体介质中的测量系统，中频和高频段主要用于固体介质的测量[9,10]。

这主要是由于介质对声波能量的吸收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。

而在固体介质中，测量的量程比较短(例如超声波探伤，测工件厚度等)，在液体和气体中，测量的量程比较长(例如空气中的超声波测距，海洋中测深度等)，因此，气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固体介质中低。

2.1.2 超声波的衰减
超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。

整个过程，超声波会有很大的衰减。

由于声波的衰减，使得A(x)随传播距离的变化而变化。

声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律[11]。

A(x)=x 0A e α- (2.1) 设在距离超声接收器x 处有被测物，则空气中传播的超声波波动方程描述为： 0()cos()
cos()x A A x wt kt A wt kt e α-=+=+ (2.2)
其中A(x)为超声传感器接收的振幅；0A 为超声传感器初始振幅；α为衰减系数；x 为超声波传播距离；ω为传播角频率；k=2π/λ为波数；λ为声波波长；t 为传播时间。

衰减系数2=b f α⋅。

其中b 为空气介质常数，f 为超声波频率。

在空气中，-4 -1=3.210 cm α⨯,-132b=210 s /cm ⨯，当振动的声波频率f=40kHz 时，可得-4 -1=3.210 cm α⨯，它的物理意义在于：超声波在空气媒介中传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗，在1/α长度上，平面声波的振幅衰减为原来的1/e 。

由此可见，超声波频率越高，其衰减越快，传播的距离也越短。

同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。

但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。

权衡这两点，为达到良好的测距效果，也是选取中心频率为40kHz 的原因。

采用合适的频率和波长，使用超声波传感器测距，频率取得太低，外界杂音干扰较多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大。

并且，超声波传感器在测量过程中容易产生盲区，接收端易接收到泄漏波。

改善这一缺点，须减少发射波串的长度，增高发射波频率。

但发射波串长度过短会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大
值；发射波频率过高则衰减大，作用距离下降。

有试验表明：使用40kHz的超声波，发射脉冲群含有8个～16个脉冲，具有较好的传播性能[12]。

2.2 超声波传感器
超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。

这种装置能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。

目前常见的超声波发射和接收器件的标称频率一般为40kHz，频率取得太低，外界杂音干扰较多，太高在传播过程中衰减较大。

按作用原理不同，超声波传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中压电瓷晶片制成的换能器最为常用[13]。

在原理上利用压电瓷材料在电能与机械能之间相互转换的功能。

其示意图如图2.1所示。

图2.1双压电晶片示意图
这种传感器一般采用双压电瓷晶片制成。

需用的压电材料较少，价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。

在压电瓷片加有大小和方向不断变化的交流电压时，据压电效应，就会使压电瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是于外加电压的大小和方向成正比的。

也就是说，在压电瓷晶片上加有频率为f的电压脉冲，晶片就会产生同频率的机械振动。

这种机械振动推动空气等媒质，便会发出超声波。

反之，如在压电瓷晶片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号[14,15]。

当在A，B间施加交流电压时，若上片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。

压电瓷晶片有一个固有的谐振频率，f发射超声波时，加在其上面的交变电压频率要与它的固有谐振频率一即中心频率
致，接收超声波时，作用在它上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。

这样，超声波传感器才有较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电瓷晶片的几何尺寸，就可以非常方便地改变其固有谐振频率。

超声波传感器结构图如图2.2所示。

图2.2超声波传感器结构图
超声波传感器由压电瓷晶片、锥形谐振板、底座、端子、金属壳及金属网构成。

其中，压电瓷晶片是传感器的核心，锥形谐振板是发射和接收超声波的能量集中，并
使传感器有一定的指向角。

金属壳可防止外界力量对压电瓷晶片及锥形谐振板的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声波[16]。

超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。

其中，小量程探测距离小于2 m，工作频率在60kHz～300kHz之间；中量程探测距离约为2m～l0m，工作频率在40kHz～60kHz 之间；大量程探测距离约为20m～50m，工作频率处在16kHz～30kHz之间。

超声波传感器是超声波测距电路中的重要元件，其性能优劣直接影响到测距准确度和可靠性。

超声波传感器按收发方式可分两类：一类是发射和接收分别是两种不同的分体式超声波传感器，此类传感器测距有效围比较大，但不具备防尘、防水性能，如用于发射的MA40A5S及用于接收的MA40A5R[17]。

另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器，如TR40，不仅用于发射超声波，也用于接收超声波，此类超声波测距有效围比较小，防尘、防水性能好。

由于考滤到成本等因素，本系统所选用的超声波传感器为收发分体式传感器，如用于发射的TCT40T及用于接收的TCT40R。

，其中心频率为40kHz。

TCT40-16R/T（直径16mm）的相关参数如下：
（1）标称频率(kHz)：40kHz
（2）发射声压at10V(0dB=0.02mPa)：≥117dB
（3）接收灵敏度at40kHz(0dB=V/ubar)：≥-65dB
（4）静电容量at1kHz，<1V(PF)：2000±30%
TC—压电瓷超声波传感器；T—通用性；
T—发射/R—接收。

TCT40-16R/T系列指向性如图2.3所示。

图2.3超声波传感器指向特性
2.3 超声波脉冲测距原理
声波在其传播介质中被定义为纵波。

当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。

假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，那么就可以计算出从声波到目标的距离。

这就是本系统的测量原理。

这里声波传播的介质为空气，采用不可见的超声波。

距离公式：距离(s)=时间(t)×速度(v)。

在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。

利用超声波测时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。

相位检测法虽然精度高，但检测围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。

本超声波测距仪采用渡越时间检测法[18]。

超声波测量原理图如图2.4所示。

图2.4 超声波测距原理图
在超声波发射器两端输入10个40kHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面，由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。

传播的渡越时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。

如图2.4所示，测量发射点到被测物面到接收点距离2s，超声波的传播速度约为v=344m/s(20℃时)依据公式：1
vt
s 得距离s。

2
距离测量有一个最远测量距离限制，其原因就在于接收信号的幅值至少应该大于规定的阀值。

这个阀值决定于对信噪比的要求。

要求高些，可要求这一阀值大于噪声
幅值的倍数高些，保证信噪比可以大于要求。

但是无论要求怎样低，最小的接收信号幅值总得比噪声幅值大，否则就很难从噪声中分辨出所需的信号来。

所以，如果想增大可测的距离，总得从两个方面来解决，一方面就是尽量降低噪声，另一方面就是尽可能增大发射信号的幅值。

超声波是一种具有一定频率围的声波。

它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同的媒质界面处，会产生反射现象。

利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。

其主要有三种测距方法：（1）相位检测法，将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样，并计算采样值与参考信号之间的互相关函数。

若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器前方目标反射回来的信号，而相关函数峰值出现的时刻就是射程时间。

由此可见，相关估计法（也称为匹配滤波）既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。

假如超声波信号经目标反射后所产生的回波信号的波形基本不发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯白噪声，那么采用互相关函数法的时延估计精度将高于与其它时延估计法[19]。

这种算法虽然精度高，但算法较复杂，运行起来速度慢，测距实时性不好；
（2）声波幅值检测法，这种方法是根据超声波在空气中传播不断衰减的特性，检测回波信号的幅值，对延迟时间作出一个判断，但是声波幅值检测法易受反射波的影响，测距精度不高；
（3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。

其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。

本课题的超声波测距就是使用了这种方法。

具体来讲，本系统测距原理类似于数字式雷达原理，测距开始发出一串脉冲串，开始计时，检测到回波信号后，关闭计时器，根据计数脉冲的重复周期T，得到渡越时间t=nT，所以，测量实际上变成读出距离计数器的数码值n。

对目标距离R 的测定转换为测量脉冲数n，从而把时间这个连续量变成了离散的脉冲数。

所以，计数脉冲频率越高，测距精度越高[20]。

2.4 本章小结
本章介绍了超声波的特性，阐明了其物理性质对测距理论的适用性，对超声波在传播过程中的衰减与声波所在介质及频率的关系进行了分析。

说明了超声波换能器的工作原理，为达到最佳的工作效率，深入研究各种驱动条件的影响。

并对比分析了几
种测距方法，论证了本系统的实用性，分析指出需要把超声波往返时间的测量转化为对计数脉冲个数的测量，才能提高测量精度。

在下面的第三章中，我们将进行具体的硬件设计。

3 系统硬件设计
按照系统所需功能，系统硬件结构可以划分为四个主要模块：超声波发射电路，超声波接收电路，控制处理电路和显示电路。

整个系统结构框图如图3.1所示：
图3.1超声波测距系统框图
3.1 超声波发射电路设计
发射电路的实现目的为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号。

依据电路需要，发射电路应满足下列要求：
（1）振荡电路振荡频率可调；
（2）驱动能力较高；
（3）输出控制信号。

3.1.1 振荡电路
振荡电路的实现目的是为超声波传感器提供40kHz 脉冲。

当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号的电能能高效率的转化为机械声波的机械能。

一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40kHz ，实际有偏差，如40kHz ±0.5kHz 。

故设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。

荡电路有多种设计方案，方案选择如下：
方案一：利用非门或与非门和电阻一起构成振荡电路最简单的振荡器。

这种振荡器特点是：T=(l.4～2.3)RC 电源波动将使频率不稳定，适合小于l00kHz 的低频振荡情况。

此振荡是上电振荡，不方便控制。

典型如图3.2所示。

图3.2 简单振荡电路
方案二：采用两三极管和电阻电容构成的振荡器如图3.3所示。

U2
R C
GND C1
R 4
CV
5
2TR
Q DC TH 376VCC 8GND
控制信号
Vcc
图3.3 采用两三极管和电阻电容构成的振荡电路 方案三：采用LC 三点振荡电路如图3.4所示。

R3R4
Q2out
图3.4采用LC构成的振荡电路
方案四：555芯片组成振荡电路。

555芯片振荡电路[21]，外围元件少，电路简单，振荡频率可调，可产生方波和三
角波，可调整波形占空比，在很多电路中都用到。

如图3.5所示。

U1
C2
C1
R R2R3
Q1Q2
GND
&
R1
In
图3.5555振荡电路
为了方便快捷，本文中选方案一原理。

采用一与非门与电阻电容构成振荡电路。

此电路外围元件少，电路简单，并且及易控制。

本文中采用的电路振荡图，如图 3.6
所示。

当R1远大于10R2时，振荡频率由下式f=1/(2.2 R2 C1)决定。

应此，适当的调节
R2、C1的值，就可以使电路的振荡频率为40kHz。

本实验取C1为560pF，有公式计算
可得R2应取为20kΩ左右的阻值方可使频率接近40kHz。

振荡信号经整形缓冲后由驱
动电路驱动超声波发射器向外发射超声信号。

超声波传感器的固有频率应与电路振荡
频率相同时，超声波传感器达到谐振状态，换能器效率才能达到最高。

&
&00
R1
R2
C1
out
图3.6 振荡电路
3.1.2 驱动电路
驱动电路的实现目的是为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。

驱动电路[22]
要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器，由发射器将电能转换为超声机械波机械能。

驱动电路有多种方案： （1）用芯片驱动。

（2）分立元件组成的驱动电路，其价格便宜，元件普通，调试方便。

（3）用变压器提升电压，增加驱动能力，如图3.7所示。

（4）门并接利用芯片的驱动能力。

本系统设计所用的为第（4）种方案利用非门并接的驱动电路。

如图3.8所示。

图3.7 变压器升压驱动
v cc
C1
R2
R1
图3.8 门电路驱动 声波在空气中传播受空气介质影响，距离越大，衰减越大。

为能接收远距离得回
波，采取有效措施有：
（1）增加驱动功率。

（2）减少声波频率(频率越低，衰减越慢)。

（3）设计合理的电路与负载功率匹配电路使其方便便简单，为进一步增加驱动能力，并列的非门换成3个。

要求6个非门来自一个芯片上的非门，以保证信号上升沿下降沿的同步，在非门输出的两端直接接一个电容防止直流直接加载超声波发射器上而导致损坏。

本文总采用COMS 芯片CD4049组成超声波驱动电路图，如图3.9所示。

R2
R
GND
Q DC TH
376
VCC
8GND
1
信号
Vcc
GND
In
Out
C
U1
U2
U3
U4U5U64049
图3.9 COMS 与CD4069芯片组成超声波驱动电路
由第二章的讨论可以知道，测距系统所用的超声波仪在频率40kHz ，幅值9V (可调)的电压驱动下，各种性能最佳，通过振荡电路送给驱动电路。

用了一个大功率的CMOS 管CD4049来驱动超声波传感器的发射器.它的工作原理是这样的：几个非门
并接，即可提供较大的驱动能力。

而且到发射器两端的是反向的，使得超声波的发射器得到足够的能量。

整体发射电路如图3.10所示，通用定时器555够成的多谐振荡器，振荡频率由下式f=1/[0.693(R1+2R2)C1]决定，输出波形的高电平时间t1=0.693R1C,低电平时间t2=0.693×2R2C。

调节R1,R2的值，还可以调节输出脉冲的占空比。

振荡频率有3脚输出经整形，缓冲后作为与非门的开关脉冲；振荡频率为40kHz，经调控后输出周期为25ms、脉冲宽度为1ms的脉冲串，由于高电平持续时间短，所以，可以大大的地降低了功耗。

调控信号经缓冲驱动后，超声波发射器把电信号转化为超声波发射信号发射出去。

v cc
图3.10超声波发射电路
3.2 超声波接收电路设计
根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求：。