超声波测距仪设计原理及实验分析

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1、中北大学2006届本科毕业设计说明书撰写人：李硕1引言我们生活的世界充满了各种可听的声信号。在科学史上，人们很久以前对声音信号就有了认识，声学是最早发展的学科之一。我国两千多年前的先秦时期，在乐律和乐器的研究方面，对声学的发展做出了重要的贡献。在国外，19世纪，声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。然而由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。现代声学已经涵盖了从10-4Hz—1014Hz的频率范围，相当于从大约3小时振动一次的次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动，即跨越了1018量级的宽广频段。频率高于人类听觉上限频率(约

2、20000Hz)的声波，称为超声波,或称超声。现代科技的迅速发展对检测技术提出了更高的要求，各种计量检测技术都向非接触、高灵敏度、智能化、微型化方向发展。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。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。不仅在工业中，在日常生活中超声测距也有着广泛的应用。本设计就是一种利用超声波作为媒介的测距装置，它能够通过单片机的控制来进行测距并可以数码显示。其优点是使用方便，精度高，可编程控制，可用于危险场地等的非接触式测距。2超声技术的发展及应用2.1超声技术的发展

3、利用超声波测量己知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距法。第23页共45页中北大学2006届本科毕业设计说明书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

4、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、过程检侧、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。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。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。材料科学的发展，使得应用最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、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜等。近年来，为了物质结构等基础研究的需要，超声波的产生和接收还在向更高频率(10¹²赫兹以上)发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜，就可获得数百兆赫直至几万兆赫的

5、超声；利用凹型的微波谐振腔，可在石英棒内获得几万兆赫的超声。此外，用热脉冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法，产生或接收更高频率的超声。2.2超声波的应用超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，可以超声为工具，来检验、测量或控制各种非声学量及其变化的。从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。近些年来,随着超声技术研究的不断深入,再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点,超声的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金

6、、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位，医学上以人体为检测对象的超声医学诊断，如超声显微镜、超声成像，以海洋探测及水下目标识别为目的的水声应用等，也归于此类。而我国关于超声波的大规模研究始于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。超声在测量领域中的各种应用从被测对象来分,目前超声在测量中的应用主要由以下几个方面:第23页共45页中北大学2006届本科毕业设计说明书厚度的超声测量:目前超声测厚法有共振法、干涉法、脉冲回波等几种。其中,脉冲回波法是广泛得到应用的一种。流速和流量的超声测量

7、:超声测量流量在许多方面都有应用,譬如在石油化工工业生产过程中流体流量的控制和监督,在水力电力部门对流量的连续测定以及医学上血流的测量等。温度的超声测量:超声测温大多数是以气、液、固三态介质中温度和声速的相关性为理论基础的。由于声速与温度有关,因此可以根据声速在介质中的变化来确定介质温度。超声测温法可以用来测量超低温和超高温。距离的超声测量:超声测距是目前超声在测量领域中的一个广泛应用。本设计所研