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1、超声波测距仪原理与制作2008年10月13日 一、引言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。超声波测距仪广泛应用于一些工业现场的位置监控、移动机器人的自动避障行走、汽车倒车、建筑施工工地，也可用于液位、井深、管道长度等的实时测量。测量范围视设计电路和整体结构的不同一般在0.10～10m之间，测量精度约1cm左右（特殊设计可超出此范围）。测量时仪器与被测物体无直接接触，不仅能够定点和连续测距，而且能够方便地提供遥测或遥控所需的信号。与目前的激光测距技术相
2、比，超声方法比较简单且价格较低。特别是超声测距技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，在测量精度方面基本能达到工农业生产等自动化的使用要求。本项目性能指标：电源：9-12Ｖ显示：四位ＬＥＤ测量距离：0.3-3米(可扩展至12米)测量精度：土1厘米二、超声波测距原理 1、声学基础知识(1)声波及其分类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：a.次声波:振动频率低于l6Hz的机械波.b.声波:振动
3、频率在16～2×104Hz之间的机械波,在这个频率范围内能为人耳所闻.c.超声波:高于2×1O4Hz的机械波.d.微波:频率在3×1O8～3×1O11Hz之间的机械波.(2)声压与声强声压介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压.随着介质中各点声振动的周期性变化,声压也在作周期性变化,声压的单位是Pa(N/m2)声强声强又称为声波的能流密度,即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量.声强是一个矢量,它的方向就是能量传播的方向,声强的单位是W/m2(3)物质的声学特性声速
4、:声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和弹性性质.除水以外,大部分液体中的声速随温度的升高而减小,而水中的声速则随温度的升高而增加.流体中的声速随压力的增加而增加。超声波也是一种声波，其声速C也与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。表1声速与温度关系表 温度（℃）-30-20-100102030100声速（米/称）313319325323338344349386声阻抗特性:声阻抗特性能直
5、接表征介质的声学性质,其有效值等于传声介质的密度ρ与声速c之积,记作Z=ρc.声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的变化,取决于这两种介质的声阻抗特性.两种介质的声阻抗特性差愈大,则反射波的强度愈大.例如,气体与金属材料的声阻抗特性之比,接近于1:80000,所以当声波垂直入射在空气与金属的界面上时,几乎是百分之百地被反射.温度的变化对声阻抗特性值有显著的影响,实际中应予以注意。声的吸收:传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一，固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。例如：均匀介质对
6、超声波的吸收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。(4)超声波及其物理性质具有束射特性,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10m米以上。超声波在反射，折射过程中，其能量及波型都将发生变化。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，单位面积内声能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射(或漫射)及吸收。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
7、性及弹性造成的。(5)超声波传感器及应用用超声波作为检测手段，应能发射超声波和接收超声波。可将超声波与电量做转换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)和磁致伸缩式超声波传感器。a.压电式超声波传感器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
8、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时，以此作为超声波的接收器。在实际应用中,压电式超声波传感器的发射器和接收器也可合成为一体,由一个压电元件作为"发射"和"接收"兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在压电元件上,使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。b.磁滞式超声波传感器磁滞式超声波传感器主要由铁磁材料和线圈组
