自动检测与转换技术
项目名称：超声波传感器的应用
专业：电子信息工程技术
班级：信息3091
姓名：李龙
授课老师：张玲娜
科技进步使得今天的超声波传感器坚固耐用并有着精确的感应能力，这些新技术使得超声波传感器可以更加简单、灵活，性价比更高。这些新增的特性拓展了一个新的应用领域，完全超越了传统的超声波传感器的应用。现在的超声波传感器提供给了机械设计师，在工业领域发现了一个新的、极具创造性的解决方案。
数年前在传感器技术领域，超声波传感器一直是备用的选择，设计师只有在其他的传感技术无法工作的时候才会选择超声波技术，一般发生在检测透明物体，长距离的感应或者是当目标颜色改变时的才会采用这种技术。
新技术的应用使得今天的超声波传感器能经受得住恶劣环境的考验，比如有IP67和IP69K防护等级的超声波传感器可以应用于潮湿的环境中；传感器内建温度补偿电路，在正常或者变化的操作状态时，当有明显的温度变化，由温度补偿电路进行校对；Teflon型号的超声波传感器的表面有一种特殊涂层可以用来抵御有害化学物质的侵蚀；先进的过滤电路可以让超声波传感器屏蔽现场干扰；新型传感器感应头有着更强的自我保护能力，可以抵御物质损害，适应比较脏乱的环境等。
一．超声波传感器的易用性
新一代超声波传感器的一个显著特性就是使用更加简单，这包括了按钮的设置、DIP开关编程和一些多重程序的选择。
其开关按钮完全内嵌于传感器装置中，这使得调整安装传感器距离的远近非常容易，把目标物放在传感器前再按下按钮是一件很简单的事情。这种传感器可以自动掌握窗口的大小和距离的远近。方便安装意味着同样的传感器可以适应很多不同的应用。
DIP开关的编程方式意味着可以为某些特殊的应用而定制一个简单的传感器，这些个性化的特性包括响应时间、输出类型、开关量和模拟量选择以及用于物位/液位控制的特别设定。
超声波传感器一般在单个传感器中都包含多种输出类型，具有两路开关量输出型号可以用一个传感器同时感应两个不同距离的物体，而同时拥有一路开关量输出和一路模拟量输出的型号的传感器即可用于测量有提供警报输出。
以上这些特性使得超声波传感器与其他技术的传感器相比，使用更加灵活，更具选择性。二．使用超声波传感器的基本原则
超声波传感器是利用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频的人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体，传感器就能接收到返回波。传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离。比较具有代表性的，一个传感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定，无论物体在那一种界限里，传感器都可以检测到。例如：超声波传感器可以安装在一个装液体的池子上，或者是一个装小球的箱子上，向这个容器发出声波，通过接收到返回波的时间长短就能确定这个容器是满的、空的或者是部分满的。
超声波传感器还有使用的是独立的发射器和接收器的型号，当检测缓慢移动的物体或者在潮湿环境中应用时，这种对射示的超声波传感器就非常适用。在检测透明物体、液体，检测光滑、粗糙、有光泽的半透明材料等物体表面，以及检测不规则物体时，超声波传感器都是首选。超声波传感器不适用的情况有：户外、极热的环境、有压力的容器内及有泡沫的物体。
三．超声波传感器选型要点
1. 范围和尺寸
被检测的物体的尺寸大小会影响超声波传感器的最大有效范围，传感器必须探测到一定级别的声波才能被激励输出信号，一个较大的物体可以将大部分声波反射给传感器，所以传感器可以在它的最大限度内对此物体进行感应，而一个小物体只能反射很少的声波，这样就明显地减小了感应的范围。
2. 被测物
能运用超声波传感器进行检测的最理想的物体应该是大型、平坦、高密度的物体，垂直放置面对着传感器感应面。最难检测的是那些面积非常小，或者是可以吸收声波的材料制作的，比如泡沫塑料，或者是角面对着传感器的。一些比较困难被检测的物体可以先对物体的背景表面进行示教，再对放在传感器和背景之间的物体作出反应。
用于液体测量时需要要液体的表面垂直面对超声波传感器，如果液体的表面非常不平整，那么传感器的响应时间要调的更长一些，它会将这些变化做个平均，可以比较固定的读取。
在Retrosonic模式下使用超声波传感器使得探测不规则物体也成为可能，在Retrosonic模式下，超声波传感器可以先探测一个平整的背景，如一面墙，当任何物体通过传感器和墙之间的时候，就会阻碍声波，传感器感应到了中断，便会意识到出现了物体。
3. 振动
无论是传感器本身还是周围机械的振动，都会影响距离测量的精确度。这时可以考虑采取一些减震措施，例如：用橡胶的抗震设备给传感器做一个底座，可以减少振动，用固定杆也可以消除或者最大程度的减少振动。
4. 衰减
当周围环境温度缓慢变化的时候，有温度补偿的超声波传感器可以做出调整，但是如果温度变化过快，传感器将无法做出调整。
5. 误判
声波可能会被附近的一些物体反射，比如导轨或者固定夹具，为了确保检测的可靠性，必须减少或者排除周围物体对声波反射的影响，为了避免对周围物体的错误检测，许多超声波传感器都有一个LED指示器来引到操作人员进行安装，来确保这个传感器被正确的装好，减少出错的风险。
四．超声波传感器的典型应用举例
超声波传感器曾经被认为操作太过困难或者过于昂贵，但随着成本的降低和运用的方便，越来越多的机械设计师在设计机器时已经将超声波传感器融入进去。超声波传感器的工业应用领域包括探测填充状况、探测反光物体和物质、控制环绳的膨胀和测量距离。图1至图4是几个应用实例。
超声波清洗机
1.1 超声波清洗的原理和特点
图1是超声波清洗的原理图，换能器将超声频电能转换成机械振动并通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液辐射超声波。存在于液体中的微气泡(称为空化核)在声波的作用下振动，当声压或声强达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合。在气泡闭合时，产生冲击波，在气泡周围产生10 一10 Pa的压力及局部高温，这种物理现象称为超声空化。空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使它们分散于溶液中。蒸汽型空化对污垢层的直接反复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的疲劳破坏而脱离。气体型气泡的振动对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡还能“钻入”裂缝作振动，使污垢脱落。由于空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化，当固体粒子被油污裹着而附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子自行脱落。超声在清洗液中传播时会产生正负交变的声压，冲击清洗件，同时由于非线形效应会产生声流和微声流，而超声空化在固体和液体界面上会产生高速的微声流，所有这些作用能够破坏污物，除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。
图1 超声波清洗机原理图
由此可见，凡是液体能浸到声场存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、质量高，特别适合于清洗件表面形状复杂，如空穴、狭缝等的细致清洗，易于实现清洗自动化。对一般的除油、防锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也达到高标准。在某些场合下可以用水剂代替有机溶剂进行清洗，或降低酸碱的浓度。对于一些有损人体健康的清洗，如清洗放射性污物可以实现遥控和
自动化清洗。超声清洗也有其局限性，例如对声波反射强的材料如金属、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而对声波吸收大的材料如布料、橡胶以及粘度大的污物清洗效果差。
1.2 超声波清洗机的结构和参数设定
(1)超声波清洗机结构设计
超声波清洗机主要由超声波发生器、超声换能器和清洗槽组成，其结构如图1。超声波发生器将50Hz 的交流电转换成超声频电振荡信号后，通过电缆输送给超声换能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。
(2)参数设定
为了实现超声波清洗的高效率，应当选择最佳的声强、频率及清洗槽声场分布等参数。工作频率选在20—50kHz 之间。低频声波的空化气泡大、数量少，易于清洗较粗糙物品。高频声波空化气泡小、数量多，易于清洗精细且形状复杂的物品。本超声波清洗机用于清洗较粗糙的生活用具，所以采用低频20kHz 。清洗液采用碳氢清洗液，碳氢清洗液具有以下特点：清洗性能好，蒸发损失小，无毒，材料相容性好，不破坏环境，价格便宜。
2.1超声波发生器的选择
。超声波发生器也称作超声电源，它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的装置。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡一放大型和逆变型两种。本设计采用振荡一放大型超声波发生器，其结构框图如图2所示。它是一个带有振荡电路的放大器，由振荡、放大、匹配电路和电源组成。振荡器产生一定频率的信号，放大器将其放大到一定的功率输出。达到最佳负载值，通过输出变压器进行阻抗匹配，并通过功放输出
图2 振荡-放大型超声波发生器结构框图
振荡条件：
从结构上看，正弦波振荡器就是一个没有输入信号的、带选频网络的正反馈放大器。图3表示接正反馈时放大器在输入信号1X =0时的方框图，简化下得图4。由图4可知，如果
在放大器输入端1外接一定频率，一定幅度的正弦波信号Xa ，经过基本放大器和反馈网络所构成的环路输出后，在反馈网络的输出端2得到反馈信号Xf 与Xa 在大小和相位上都一致，则可以除去外接信号Xa ，将1、2两端连接在一起(如图中虚线所示)而形成闭环系统，其输出端可继续维持与开环时一样的输入信号，即f X ?
=a X ?。
AF ??
＝AF ＝1 振幅平衡条件
和
a ?+ f ?=2n π n=0,1,2,3…… 相位平衡条件
这两个式子是正弦波振荡器产生持续振荡的两个必要条件。振荡器的振荡频率f 0是由相位
平衡条件决定的。一个正弦波振荡器只在某一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是
f0,这就是要求在AF ??环路中包含一个具有选频特性的网络。它可以设置在放大器A 中，也可以设置在反馈网络F 中，它可以用R 、C 元件组成，也可以用L 、C 元件组成。欲使振荡器能自行建立振荡，就必须满足AF
??
＞1的条件。这样在接通电源后，振荡器就可以自行起振，最后趋于稳态平衡。
2.2超声波振荡器设计 由于TL494价格便宜而且性能优越，设计采用由开关稳压块TL494构成的振荡器。振荡器电路见图5
图5 振荡器电路图
将TL494的5脚(CT)和6脚(RT)接定时元件电阻R 和电容c ，即可起振，振荡器工作频率由下式决定：f = 610.817 1.4210RC -+?(Z H ) 由于频率选为20k Z H 由上公式得RC=0.5958×610-1S -,振荡器输出方波的占空比是换能器产生的超声波强度的决定因素。通过给TL494的4脚加以一定的直流电压就可实现占空比调整。定时元件由电容C 、电阻R1和电位器R2构成，调节电位器R2即可实现频率的调整。本机供电电源为12V ，采用的是推挽工作方式。电阻R3(10kQ)和电位器R4(10kQ)构成分压电路，死区时间控制端的电位应界于2．5～5V 之间。调节电位器R4亦可实现超声波的强度调节。
2.3超声波放大器设计 （1）超声波放大器的选择
超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。放大部分可以是单级的，也可以是多级的，主要看输出功率的需要。早期的超声波发生器使用电子管做放大器件，现在则普遍采用晶体管（三极管、场效应管和IBGT 器件）。近年来越来越多的厂家采用功率集成电路做超声波发生器的放大器件。目前工业上广泛使用的超声波发生器基本上被晶体管电路垄断。与电子管发生器相比，晶体管发生器的优点在于体积小、重量轻、效率高。但从另一方面讲由于受到方向击穿电压、最大集电极电流、最大集电极耗散功率参数的限制，通常一对晶体管的最大输出功率只能达到百瓦级。要提高晶体管发生器的输出能力，除了有赖于高性能器件外，还必须采用高效率的电路。传统的甲类、乙类、丙类放大器是把有源器件作为电流源工作。在这些放大器中，晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。集电极电流受基极激励信号控制作相应变化。
(2)低压驱动电路
本机采用高压小电流功放电路，由两只三极管和耦合变压器构成，见图6。为了避免两只功放管同时导通，导致内部功耗增加，两管的导通时间必须错开，使它们在交替工作时有一段同时截止的时间。为此，三极管P1和P2对振荡器的输出作反相处理，三极管选用PNP型的8550。低压驱动电路所用的电源是直流12V，而功放电路的电源是交流220V，在三极管后加入一个耦合变压器，完成高低压隔离的任务。
图6 低压驱动电路图
(3)功放匹配电路功放电路
如图7所示。电路由两个VMOS功率场效应管2SK791构成。具有线性度高、频率响应好、开关速度快等优点，是理想的开关元件。但其关断特性在电流小时并不理想，下降沿有拖尾。
2.4 高频驱动和匹配电路
超声发生器与一般放大器的一个重要区别在于它的匹配电路部分。一般放大器与负载之间的匹配只牵涉到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗变换之外，还有一项很重要的内容—调谐，即选用一定值的阻抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后，整个系统才算是达到了匹配，换能器才能正常工作。
高频驱动和匹配电路如图8
超声波清洗机中的匹配电路是将发生器输出的电能送往换能器的通道。匹配电路虽然结构简单(通常只有一个匹配电感)，却具有重要作用。相同型号的清洗机，匹配调得好的清洗效果好；匹配调得差的则清洗效果差。对同一台机器而言，如果工作一段时间后清洗效果变差，或者换能器经过更换，都需要重新调整匹配。与一般电子设备的匹配有所不同，超声清洗机的匹配除了要解决变阻问题(即变换负载的阻值，使之与发生器的最佳负载值相等)外，还要解决调谐问题，即用匹配电感的感抗抵消换能器的容抗，使换能器呈纯阻性。技术人员通常是根据各自的经验进行匹配。例如，有人在改变清洗槽水位时观察电流的变化，如果电流变化处于一定范围之内，同时管子不发热，空化声强，便认为匹配已调好。也有人让机器空载时稍，微呈电感性，而在加载后转变为纯阻状态。这些经验都是适用的。但在已有经验的基础上，再掌握匹配的原理，就可以在匹配时有的放矢，更加主动，从而收到事半功倍的效果。
3.1换能器的选择
用于超声清洗的换能器有两种类型．一是磁致伸缩换能器，另一种是压电换能器，磁致伸缩换能器这种换能器的电声效率比较低．而且金属镍材料价格昂贵，制造工艺复杂，所以目前很少采用。还有一种用铁氧体材料做成的磁致伸缩换能器，虽然其电声效率比较高，但机械强度低，所能承受的电功率容量小，因而目前我国也很少应用。
目前我国主要采用压电换能器，因为这种换能器的电声转换效率高．原材料价格便宜，而且便于制造不同的结构，以适应不同的清洗要求。压电换能器又有很多种如圆柱形、喇叭形等。经过对比最后确定选用喇叭形夹心压电换能器作为此次的换能器。
换能器是用来进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。在声学研究领域中，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的
3.2清洗槽的设计
清洗槽由内槽和外壳组成．内槽的外表面(一般在槽底外表)粘结超声换能器，槽内盛清洗液．槽一般用耐腐蚀的不锈钢板制成，过于厚会影响声的辐射．槽的内壁，尤其是粘有换能器的辐射板要平整抛光，不能有伤痕，否则易产生空化腐蚀，缩短使用寿命．为避免被清洗工件直接与槽壁板接触而划伤，一般用镂空吊篮(网篮)或支架将清洗件悬吊在清洗液
中．网篮的骨架应尽可能地小而轻，一般用不锈钢丝编成或用其它反射声良好的材料做成．结构上要使超声波受阻小而清洗液易于流动．内槽的尺寸要根据清洗件的大小和形状而定．清洗件的总表面积不应大于内槽的体积．粘有换能器的辐射板(如槽底板)所承受的电功率强度一般低于1．5 W／cm2(用压电换能器时．大多数应在0．5～1 w／cm2之间)．过高的强度会加速辐射板表面的空化腐蚀，同时由于过剧烈的空化所产生的气泡会影响能量传递，使远离辐射面的液体空间声强变弱而达不到均匀清洗的目的．在普通的清洗槽中，由于液面的反射，在清洗槽中会产生的驻波，使得在液体空间有些区域声压最小(波节处)，有些地方声压最大(波腹处)而造成清洗干净程度不均匀．为减少驻波的形成，有时清洗槽的形状要特别设计，或采取其他措施，例如扫频工作方式．清洗件在槽中的排列要有一定的间隔，而最窄小的面应朝向换能器的辐射面，以免妨碍声辐射到整个清洗槽空间
内槽尺寸为400×360×200mm，超声波功率为500瓦；外槽尺寸为420×490×380mm；超声波发生器电路箱为224×100×135mm，由六个直径为4.5毫米的螺纹固定。
超声波测距电路设计
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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
一．超声波测距原理
1．超声波发生器：为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。
2．压电式超声波发生器原理：压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，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，这时它就成为超声波接收器了。
3．超声波测距原理：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
这就是所谓的时间差测距法。<
二．超声波测距系统的电路设计
图2 超声波测距电路原理图
本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。
1．40kHz 脉冲的产生与超声波发射：测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。
puzel：mov 14h, #12h；超声波发射持续200ms
here：cpl p1.0 ；输出40kHz方波
nop ；
nop ；
nop ；
djnz 14h，here；
ret
前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz 的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。
2．超声波的接收与处理：接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。
前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下：
receive1：push psw
push acc
clr ex1 ；关外部中断1
jnb p1.1, right ；P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序
jnb p1.2, left ；P1.2引脚为0,转至左测距电路中断服务程序
return：SETB EX1；开外部中断1 pop? acc
pop? psw
reti
right： ...? ；右测距电路中断服务程序入口
? ajmp? return
left：... ；左测距电路中断服务程序入口? ajmp? return
3．计算超声波传播时间：在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下：
RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；关外部中断0
? MOV R7, TH0 ；读取时间值
MOV R6, TL0?
CLR C
MOV A, R6
SUBB A, #0BBH；计算时间差MOV 31H, A ；存储结果MOV A, R7
SUBB A, #3CH
MOV 30H, A?
SETB EX0 ；开外部中断0 POP ACC?
POP PSW
RETI
三．超声波测距系统的软件设计
软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图3（a）（b）(c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。
四．结论
对所要求测量范围30cm~200cm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为0.5cm，且重复性好。可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。因此，它不仅可用于移动机器人，还可用在其它检测系统中。
结束语
超声波传感器在工业上的应用正快速发展，这项曾经十分昂贵而且精准度不高的技术如今已经变得简单易用，精度高且费用低廉。超声波传感器已经成为一个常规设备在过程控制中提高产品的质量，应用在检测次品、确认出现或者消失和其他一些领域。这种传感器同样可以提高生产力，它可以减少废料，避免由于零件损坏造成的停工。未来在此项技术领域内此类产品的发展仍将延续这种趋势，这是一项挑战，但是已经在工业领域内达成共识，那就是超声波传感器在所有的制造领域内，包括质量控制、过程控制和检测，具有极大的发展潜力。
探测范围和大小 要探测的物体大小直接影响超声波传感器的检测范围。传感器必须探测到一定声级的声音才可以进行输出。大部件能将大部分声音反射给超声波传感器，这样传感器即可在其最远传感距离检测到此部件。小部件仅能反射较少的一部分声音，从而导致传感范围大大缩小。 探测物体的特点 使用超声波传感器探测的理想物体应体积大、平整且密度高，并与变换器正面垂直。最难探测的物体是体积小且由吸音材料制成的物体，或者与变换器呈一定角度的物体。 如果液面静止且与传感器表面垂直，探测液体就很容易。如果液面波动大，可延长传感器的响应时间，从而取波动变化的平均值以获得更一致的读数。但是，超声波传感器还不能精确探测表面为泡沫状的液体，因为泡沫会使声音的传播方向发生偏离。这时可以使用超声波传感器的反向超声模式，探测形状不规则的物体。在反向超声模式下，超声波传感器会探测一个平整背景，如墙壁。任何穿过传感器和墙壁之间的物体都会阻断声波。传感器即可通过探测该干扰来识别物体的存在。 温度导致的衰减 传感器还设计了温度补偿功能，以调节环境温度的缓慢改变。但是，它不能调节温度梯度或环境温度的快速变化。 周围是否有振动 无论是传感器本身的振动还是附近机器的振动，都可能会影响测量距离时的精确度。可在安装传感器时用橡胶防振装置来减少这类问题。有时也可使用导轨来消除或降低部件振动。 环境导致的误测 附近的物体可能会反射声波。要准确探测目标物体，必须降低或消除附近声音反射表面的影响。为了避免误测附近物体，许多超声波传感器都装有LED指示灯，用于在安装时指示操作人员，以确保正确安装传感器并降低误测风险。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有 10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路
超声波传感器及其应用 摘要 本文主要介绍了超声波的特点,超声波传感器的原理与应用等多个方面。文中阐述了超声波与可听声波的区别,超声波传感器在医疗,工业生产,液位测量,测距系统等多个领域中得到了广泛的应用。因超声波具有的独特的特性,使得超声波传感器越来越在生产生活中体现了其重要性,具有一定的研究价值。 关键词:超声波传感器疾病诊断测距系统液位测量
Ultrasonic sensors and its application Abstract This paper mainly introduces the characteristics of ultrasonic, principle and application of ultrasonic sensors, etc. In this paper, the ultrasound and sound waves, ultrasonic sensors in medical treatment, industrial production, level measurement, ranging in many fields such as system has been widely used. Due to the unique characteristics of ultrasonic has, ultrasonic sensors in production and life embodies its importance, has certain value. key words: ultrasonic sensors Disease diagnosis Distance measuring system level
超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功 能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。 组成部分 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 性能指标
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压 超声波传感器 电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： 工作频率 工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 工作温度 由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用 超声波传感器 功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。[1] 灵敏度 主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。 主要应用 超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其
超声波传感器的设计 与应用
传感器课程设计 （2010级） 题目：超声波传感器的设计与应用 学员姓 名：xxx 学 号：201003011020 学员姓 名：xxx 学 号：201003011027 学员姓 名：xxx 学 号：201003011003 xxx
二〇一三年九月
目录 ...............................................................................................................................................第一章超声波传感器简介........................................................................................ 1.1超声波传感器是什么 (2) 1.2超声波传感器应用前景 (2) 第二章超声波传感器设计 (3) 2.1设计目标描述 (3) 2.2 设计指标 (3) 2.3 传感器结构概述 (4) 2.4 传感器设计原理 (4) 2.4.1 物理部分设计 (4) 2.4.2 电路部分设计 (7) 第三章硬件设计 (8) 3.1 单片机设计 (8) 3.2 传感器设计 (11) 3.3 单片机与传感器连接 (12) 第四章软件设计 (13) 4.1 总体设计思路 (13) 4.2 软件程序 (13) 第五章测试结果与分析 (21) 第六章结论 (22) 参考文献 (24)
第一章超声波传感器的设计 1.1超声波传感器是什么 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 1.2超声波传感器应用前景 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有 限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以
编号：_________________ 版本：_________________ 超声波测距、测温、测光模块 使用说明书 Sonar_V1.00 2007-08-08 开发者: 保密级别： 拟制者: 拟制日期： 审核者：审核日期： 批准者：批准日期： E-mail:xiaochekf@https://www.doczj.com/doc/d51253223.html, https://www.doczj.com/doc/d51253223.html, 07-8-17
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测距、测温、测光模块说明书 目录 修订记录 (2) 1规格参数 (4) 1.1 主要功能 (4) 1.2 基本参数 (4) 1.3 使用限制 (4) 2使用说明 (5) 2.1 电源输入 (5) 2.2 通讯方式 (5) 3原理介绍 (7) 3.1 超声波测距原理及系统组成 (7) 3.2 超声波发射电路 (8) 3.3 温度补偿 (8) 3.4 光照度测量 (9) 4测量偏差的产生 (10) 5模块功能测试 (11) 6实物照片 (13)
超声波换能器选用说明及其原理介绍 超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而它自身消耗掉很少的一部分功率（小于10%）。所以，使用超声波换能器最应考虑的问题就是与输入输出端的匹配，其次是机械安装和配合尺寸。市面上超声波机械种类繁多，客户必须提供准确可靠的指标，才能保证公司提供的换能器产品能与贵公司的机器良好匹配，发挥最佳性能。 因换能器品种繁多，本文只提供了部分换能器参数。 ①谐振频率：f, 单位：KHz 该频率是指用频率发生器，毫伏表等通过传输线路法测得的频率，或用阻抗特性分析仪等类似仪器测得的频率。一般通称小信号频率。与它相对的是上机频率，即客户将换能器通过电缆连到驱动电源上，通电后空载或有载时测得的实际工作频率。因客户的匹配电路各不相同，同样的换能器配不同的驱动电源表现出来的频率是不同的，这样的频率不能作为订货依据。 ②换能器电容量：CT ，单位：PF 即换能器自由电容，一般可用电容电桥在400Hz-1000Hz的频率下测得，也可用阻抗特性分析仪类似仪器。再简单点，用一般的便携式电容表测量也可满足要求。 ③换能器工作方式 因加工方式和要求不同，换能器的工作方式大致可分为连续工作（花边机，CD套机，拉链机，金属焊接等）和脉冲式工作（如塑焊机），
不同的工作方式对换能器的要求是不同的。一般而言，连续式工作几乎没有停顿时间，但工作电流不是很大，脉冲工作是间歇式的，有停顿，但瞬间电流很大。平均而言，两种状态的功率都很大的。
④换能器型式和最大功率 整机厂家可能对于不同用途和目的的机器的标称功率有不同的规定，换句话说，同样的换能器用在不同的机器上标称功率可能是不同的。为避免产生岐义，客户应详细说明换能器的结构型式，如柱型、倒喇叭型等，及压电陶瓷晶片的直径和片数。 ⑤安装和配合尺寸 主要有变幅杆材质，表面处理方式，形状。换能器与变幅杆连接螺纹，变幅杆与模具连接螺纹，变幅杆法兰盘处直径、厚度、缺口或螺孔数量和位置。 如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！
[日期：2007-06-05] 来源：作者：[字体：大中小] 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 超声波传感器原理与应用 2008-04-18 02:40 超声波传感器原理及应用 信息来源：转载https://www.doczj.com/doc/d51253223.html,发布时间：2008-01-02字号：小中大 关键字：超声波传感器 1、遥控开关超声波遥控开关可控制家用电器及照明灯。采用 2、液位指示及控制器由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低则信号就小。接收到的信号经BG1、BG2放大，经D1、D2整流成直流电压。当4.7KΩ上的电压超过BG3的导通电压时，有电流流过BG3，电流表有指示，电流大小与液面有关。A点与上图A点相连接。当液位低于设置值时，比较器输出为低电平。BG 不导通，若液位升到规定位置，比较器翻转，输出高电平。BG导通，J吸合，可通过电磁阀将输液开关关闭，以达到控制的目的（高位控制）。 超声波传感器 信息来源：https://www.doczj.com/doc/d51253223.html,/ca.htm发布时间：2007-11-27字号：小中大 关键字：超声波传感器传感器压电陶瓷超声传感器超声波距离传感器 超声波传感器的测距系统设计图
信息来源：中国超声波发布时间：2008-03-17字号：小中大 关键字：超声波传感器 安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提，超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了senscomp公司生产的polaroid6500系列超声波距离模块和600系列传感器，微处理器采用了atmel公司的at89c51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。 1、超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20khz的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法tof（timeofflight）[2]。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即 1、硬件电路设计 我们设计的超声波测距系统由polaroid600系列传感器、polaroid6500系列超声波距离模块和at89c51单片机构成。
超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。 反射问题 如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。其中可能会出现几种误差：三角误差、镜面反射、多次反射。 噪音 虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。 交叉问题 交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。超声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和Y获得，这时Z 和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关传感器产品的选型，报价，采购，参数，图片，批发等信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/d51253223.html,。
超声波传感器 基本介绍 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置是声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。 组成部分 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 ①
超声波传感器选型时需要考虑哪些环境因素 关键因素：如何区分受保护和不受保护的环境？ 在选择超声波传感器时了解周围环境是非常重要的。这是选择传感器时的首要考虑因素。这需要环顾你使用传感器时所处的环境，这可能与室外元素一样简单，也可能与传感器环境中的人或动物类型一样复杂。接下来工采网小编来说说在不同环境中超声波传感器的使用情况。 保护环境/室内传感器 考虑在天气条件下是否使用传感器会损坏传感器内部的电气元件。工采网提供了许多能够承受户外恶劣条件的传感器。这些传感器也可以在需要更窄的光束时使用，即使在用户自己舒适的家中也是如此。首先，找到传感器的放置位置，并确定可能与传感器接触的位置。 接下来需要考虑的是水分; 关于这个问题有用户曾经询问过工采网技术人员：传感器会以任何形式暴露在潮湿环境中吗？如图1所示，与传感器正面接触的湿气可能渗入我们所有EZ / AE传感器的开口中，这会对传感器造成无法修复的损坏。其中传感器的灰尘和苛刻的处理也有可能影响测距并可能造成损坏。“受保护环境”传感器的另一个考虑因素是，谁将接触传感器或与传感器交互。对传感器正面的敲击（与幼儿相同）可能会造成损坏。EZ / AE传感器和所有开放式传感器都是“受保护环境”传感器的示例。如果用户在选择将传感器用于受保护的环境，请确保您的应用程序适用。了解传感器周围环境可确保传感器满足这些传感器已知的200,000+ MTBF小时数。 非保护环境/室外传感器 对WR（耐候）传感器的考虑要宽松得多。如图2所示，闭合换能器只有传感器铝的部分暴露，允许IP67的耐候性，室外元素可能需要。
如果用户只打算在天气晴朗的条件下使用传感器，则可能不需要IP67等级，但用户可能希望WR传感器可以提供更窄的波束宽度。当传感器的灰尘，湿气或苛刻的处理不可避免时，工采网提供的的WR传感器的NE是用户应用的理想选择。此外IP67级传感器还可以处理刺激性化学品，或者可以与耐化学品密封配对，例如F-Option，适用于存在柴油或腐蚀性气体的环境。 如图3所示，工采网提供各种外壳类型的WR传感器，包括用于具有特定安装要求的应用的管螺纹。如果用户在“非保护”环境中工作，则可以选择最适合您需求的传感器外壳。 一旦知道环境，选择完美的MaxBotix传感器既简单又容易。然后，用户可以将其归类为“受保护”或“不受保护”，并从“传感器选择指南”中选择相应的选项，以找到适合您应用需求的传感器。ISweek工釆网作为国内领先的传感器及仪器仪表的工业品采购交易服务平台，为顺应市场发展需求，汇集了来自全球的高品质工业科技传感器产品，致力于为全球工业科技产品的采购商，供应商，贸易商，生产制造商提供全产业链的一站式产品销售和采购服务。如果您仍然不确定哪种传感器适合您，请联系我们，我们将很乐意为您提供帮助。
重庆三峡职业学院 智能电子产品设计与制作实训报告项目名称超声波传感器 班级13级应用电子技术1班 姓名___________________________ 学号___________________________ 2014 --2015 学年度2 学期 机械与电子工程系
一超声波传感器简介 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点。超声波传感器可以对集装箱状态进行探测，可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。 超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ 及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。 二超声波传感器的组成 超声波传感器是指产生超声波和接收超声波的装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器利用压电晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的传输特性，实现对各种参量的测量，属典型的双向传感器。因此，超声波传感器由发射传感器（简称发射探头）和接收传感器（简称接收探头）两部分组成，如图6-3所示。 图6-3 超声波传感器的组成
超声波传感器原理 [日期：2007-06-05]来源：作者：[字体：大中小]超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 超声波传感器原理与应用 2008-04-1802:40
polaroid6500系列超声波距离模块的硬件电路如图2所示： tl851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。内部有一个420khz的陶瓷晶振，6500系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前16个周期，陶瓷晶振被8.5分频，形成49.4khz的超声波信号，然后通过三极管q1和变压器t1输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4.5分频，以供单片机定时用。tl852是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，tl852主要提供了放大电路，当tl852接收到4个脉冲信号时，就通过rec 给tl851发送高电平表明超声波已经接收。 2.3at89c51单片机 本系统采用at89c51来实现对polaroid600系列传感器和polaroid6500系列超声波距离模块的控制。单片机通过p1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测int0引脚，当int0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。超声波测距的硬件示意图如图3所示：
3、系统软件设计 系统程序流程图如图4所示： 工作时，微处理器at89c51先把p1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器t0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描int0引脚，如果int0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声
传感器课程设计 （2010级） 题目：超声波传感器的设计与应用
学员：xxx 学号：201003011020 学员：xxx 学号：201003011027 学员：xxx 学号：201003011003
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目录 ...............................................................................................................................................第一章超声波传感器简介..................................................................................... 1.1超声波传感器是什么 (2) 1.2超声波传感器应用前景 (2) 第二章超声波传感器设计 (3) 2.1 设计目标描述 (3) 2.2 设计指标 (3) 2.3 传感器结构概述 (4) 2.4 传感器设计原理 (4) 2.4.1 物理部分设计 (4) 2.4.2 电路部分设计 (7)
第三章硬件设计 (8) 3.1 单片机设计 (8) 3.2 传感器设计 (11) 3.3 单片机与传感器连接 (12) 第四章软件设计 (13) 4.1 总体设计思路 (13) 4.2 软件程序 (13) 第五章测试结果与分析 (21) 第六章结论 (22) 参考文献 (24)
第一章超声波传感器的设计 1.1超声波传感器是什么 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 1.2超声波传感器应用前景 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。 在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所
超声波传感器 使用说明书 浙江亚龙教育装备股份有限公司
一、超声波传感器介绍： （一）、超声波传感器参数表 （二）、外观介绍 图1-1 如1-1图所示：左边绿色指示灯为电源和信号强度指示灯，右边黄色指示灯为信号输出指示灯，TEACH为调节按钮
（三）、工作原理 图1-2 工作原理图 如图1-2所示：可分为四个区域，最小和最大工作范围，近限和远限设定点。（1）检测物体在最小和最大工作范围内，电源指示灯变为绿色，代表物体在 可工作区域内； （2）检测物体在近限和远限设定点内，信号指示灯变为黄色，代表物体在 设定点范围内，有信号输出； （3）检测物体在最小和最大工作范围外，电源指示灯变为红色，信号指示灯变为白色，代表物体在工作范围外，无信号输出。 （四）、参数设置 1、近限和远限手动设置 （1）进入编程模式：长按TEACH Push Button 直到OUT灯变红； （2）设置低限：短按TEACH Push Button，设置完成OUT灯闪烁； （3）设置高限：短按TEACH Push Button，设置完成退出编程模式，进入RUN 模式OUT灯变回初始状态； （4）低限或高限没有设置完成前，长按TEACH Push Button，退出编程模式； （5）在编程模式下，低限设置前，如果时间超过120秒，退出编程模式
（五）、超声波传感器接线说明 图1-3 棕色（bn）：+24v 蓝色(bu)：0V（模拟量输出公共端） 白色(wh):模拟量输出端 黑色(bk)：开关量信号端 灰色(gy):远程终端 屏蔽线(shiled)：接地端
mm 数字 量68mm 28mm 6000 320000 二、西门子S7-224XP 与超声波传感器使用说明 （一）接线原理图 图1-4 （二）编程思路 S18UIA 传感器输出为4~20ma 的电流，西门子224XP 系列PLC 模拟量输入为0~10v 满量程为0~32000；所以在模拟量输出端外加500欧姆的电阻转化为2~10v 的电压。 此处实例： 下限高度为28mm 上限高度为68mm 由公式y=kx+b 可以计算出 K=650；b=-12200 图1-5
一、超声波测距原理 超声波测距原理是通过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时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v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2 ① 这就是所谓的时间差测距法。 由于超声波也是一种声波, 其声速C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。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。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（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： V = 331.45 + 0.607T ② 声速确定后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波 测距仪的机理。
二、系统硬件电路设计 图2 超声波测距仪系统框图 基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz 的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 1 、超声波发射电路 超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz 的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 图3中T 为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用
一、简介 URM37 V3.2上已经很好的实现了超声波开关量、串口（TTL和RS232电平可选）、脉冲输出功能、模块还可以控制一个舵机的旋转组成一个空间超声波扫描仪。为了方便客户使用模块,在出厂时可以根据客户需要配置其相应的参数,也可以根据客户具体需求定制软件，使他成为一个专用的模块。 当前版本URM37 V4.0在V3.2基础上对功能进行了升级使其具有更好的智能功能，机械尺寸与引脚接口以及通信命令兼容V3.2，在V3.2基础上做了如下更改： ●串口电平选择由原来的跳针方式改为通过按键设置，用户可以轻松的选择TTL电平输 出或是RS232电平输出（重启之后模式生效）。 ●修改了测距算法，使测量盲区减小，精度提高。 ●具有模拟电压输出功能，电压和测量距离正比。 ●宽电压支持+3.3V-5.0V。 ●具有电源接反保护功能。 ●自动测量时间间隔可修改。 ●修改舵机控制角度为0-180，兼容市面大部分舵机。 ●测量时长为100ms。 二、产品参数 1.产品规格 ●工作电源：+3.3V～+5.0V ●工作电流：<20mA ●工作温度范围：-10℃～＋70℃ ●超声波距离测量： ●最大测量距离―500cm ●最小测量距离―5cm ●分辨率－1cm ●精度－1% ●模块尺寸22mm ×51 mm ●模块重量：约25g ●超声波一次测量时间为100ms 2.技术说明 ●由于使用了更好的测距处理方法，使测量距离更远更稳定，在测量上完全兼容V3.2， 但是我们可以做到在0.3-3M的距离上稳定2mm的精度，如果有需要可以和公司联系定制。 ●模块使用RS232串口通讯可靠性更高，同时可以通过电脑串口采集数据，编写通讯程 序非常的便捷。 ●串口电平工作方式是TTL还是RS232选择方式为按键设置或者软件设置（重启之后模 式生效）。 ●模块可以通过脉宽输出的方式将测量数据输出，这样使模块使用更简单。 ●模块可以预先设定一个比较值，在自动测量模式下，测量距离小于这个值后管脚 COMP/Trig输出一个低电平，这样模块能够方便的作为一个超声波接近开关使用。 ●模块提供一个舵机控制功能，在非自动测量模式下，可以和一个舵机组组成一个180 度测量组件用于机器人扫描0～180度范围障碍物。 ●模块内带温度补偿电路提高测量的精度。 ●模块内带123字节内部EEPROM，可以用于系统记录一些调电不丢失的系统参数。
超声波传感器的原理及应用前景展望 一、原理简述： 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标，包括； （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。 二、结构与工作原理 超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。 1、超声波测距仪： HpAWK超高能声波测距技术HpAWK系列产品使超声波测距技术有了重大的突破，它不仅拓宽了超声波测距技术的应用场合（适用极恶劣工的工作环境），而且使用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户使用无后顾之忧。。 优秀的回波处理技术，5－50KHZ的超高强发波频率使HAWK物位计最大量程可达到0米，适用介质温度为–20℃— +175℃。智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。HpAWK系列产品还拥有灵活多变的工作方式（供电电源可为VDC、24VDC、110VAC、220VAC;二/三/四线制同一仪表中可随意组合。它还拥有先进的远程GSM、CDMA、互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。
超声波换能器使用说明书 一、概述 超声波筛分系统是一种简单实用、可靠的筛分系统，是当前网孔堵塞的最有效的解决方法。可广泛应用于制药、冶金、化工、选矿、食品等要求精细筛分过滤的行业，筛分过滤精度高，有效解决因团聚、静电、强吸附性卡堵网孔等筛分难题，是国内筛分行业的一项重大突破。 二、结构 超声波震动筛电源：38KHz高频大功率超声波电源。内置微电脑芯片，可根据物料的不同状态进行全程数字频率自动跟踪，无需人工调整，操作简单方便。长时间工作振荡器发热量低，工作状态稳定。 ●HF链接电缆线：超声波换能与超声波振动筛电源之间采用电缆链接。 ●连接器：航空链接插件。 ●换能器：高性能超声波转换器件。 ●超声波网架：由外网架于共振器组成。 ●筛网：适用于10目~635目。 三、工作原理 超声波筛分系统由超声波振动筛电源、HF链接电缆、换能器、共振器组成。超声波振动筛电源产生的高频电通过换能器转换成高频正弦形式的纵向振荡波，这些震荡波传到共振器上使共振器产生共振，然后由共振器将振动均匀传输至筛面。筛网上的物料在做低频三次元振动的同时，叠加上超声波振动，即可防止网孔堵塞，又可提高筛分产量和精度。 四、技术参数 超声波振动筛电源： 电源输入整机电流高频电流工作频率工作模式环境温度 AC220V±10% ≤0.6A ≤0.4A 38KHz 连续、脉冲-10~35℃50~60Hz 五、使用说明 1、首先将换能器锁定在贴好网的网架上（锁定力度为40~50kg）,然后将超声波网架装入振动筛。 2、超声波振动筛电源与旋振筛分别供电，旋振筛为三相供电，超声波振动筛电源为单相供电，两者均需可靠接地。 3、超声波振动筛电源后面板OUT为超声波输出，请把超声波HF连接线插入锁紧，并检查链接可靠。HF链接电缆的航空插头另一端与换能器链接，并保证密封固定牢固。 4、接好超声波振动筛电源的电源及超声波HF链接电缆，检查无误后打开超声波电源开关。随着“滴”的声响，超声波振动筛电源启动，显示窗口显示“振动幅度XXXμm”，并进入自检状态。通过调整振幅旋钮，即可调整振动幅度（建议振动幅度100~150μm，有利于筛网的寿命）。 5、超声波谐振动电源有2种工作状态：连续“—”工作状态和脉冲“”工作状态，正常为连续“—”工作状态下，按摩式建，进入脉冲“”工作状态。在脉冲“”状态下按连续建，返回连续工作状态。 六、其他注意事项 在使用超声波振动系统前，请仔细阅读本注意项，按说明操作，以免造成设备不必要的损坏。 1、超声波振动筛电源工作输入电压为交流220V。 2、在能够满足生产要求的情况下，振动幅度最大不要超过200μm. 3、网架没有负载即网架没有绷网的时候，请勿打开超声波振动筛电源。否则，容易造成电源过流和网架及换能器的损坏。 4、筛网一定要绷紧，否则影响超声波输入及振动效果。
超声波传感器及应用 我要打印我要留言查看留言 来自：转载 原理简述： 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的， 它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标 包括； （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端 的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用 超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。 结构与工作原理