超聲波傳感器的發(fā)展及其測(cè)距原理分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u9555超聲波傳感器的發(fā)展及其測(cè)距原理分析概述 111521.1超聲波的起源及其發(fā)展 1244611.2超聲波類型與特性 3248561.1.1超聲波類型 3284311.1.2超聲波傳播特性 4279891.3超聲波測(cè)距原理 61.1超聲波的起源及其發(fā)展聲波振蕩是一種復(fù)雜的機(jī)械波,它通?？梢栽诟鞣N空氣、液體和其他復(fù)雜固體等彈性介質(zhì)中快速進(jìn)行振動(dòng)傳播高頻超聲波,這里也是一種技術(shù)泛指聲波頻率經(jīng)常超過兩萬赫茲的高頻機(jī)械聲波振蕩,在各種復(fù)雜彈性介質(zhì)環(huán)境中都非常有利于傳播高頻超聲波,正常人的耳部聽覺系統(tǒng)中都已經(jīng)可以直接地感聽到二十赫茲-20千赫茲的高頻超聲波,低于赫茲的高頻超聲波被廣泛稱為次聲波或亞音級(jí)聲波,超過兩萬赫茲的低頻超聲波被廣泛稱為高頻超聲波[1]。超聲波主要原理是通過再次發(fā)射、回收一個(gè)超聲波發(fā)射信號(hào)作用來直接檢測(cè)特定障礙物的所在位置,采用通過時(shí)間差來檢測(cè)距離的方法,即通過將一個(gè)超聲波發(fā)射信號(hào)通過發(fā)射器朝著特定的運(yùn)行方向再次發(fā)射一個(gè)超聲波,在特定障礙物被再次發(fā)射時(shí)也就已經(jīng)開始對(duì)它進(jìn)行傳播計(jì)時(shí),超聲波在正?？諝庵锌梢赃M(jìn)行當(dāng)下傳播,途中一旦碰到了特定障礙物就馬上使它返回到原來,超聲波信號(hào)接收器若將接受器聽到的信號(hào)反射超聲波就馬上使它停止下來進(jìn)行傳播計(jì)時(shí),根據(jù)不同的時(shí)間超聲波發(fā)射信號(hào)在不同空氣環(huán)境中的當(dāng)下傳播時(shí)間速度及它的時(shí)間差利用計(jì)時(shí)器所能夠記錄的當(dāng)下的傳播時(shí)間,就已經(jīng)能夠準(zhǔn)確計(jì)算出來得出信號(hào)發(fā)射點(diǎn)與特定障礙物之間的一定距離[2]。人們對(duì)于超聲波的認(rèn)識(shí)起源于一八七六年的氣哨實(shí)驗(yàn),在當(dāng)時(shí)人類的歷史上這已經(jīng)是首次能夠產(chǎn)生有效的高頻超聲波,但因?yàn)閷?duì)資料和研究的不足,因此在之后的30年里超聲波仍然是個(gè)不為人知的東西,但隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,超聲波逐漸被更多的人們所認(rèn)知且廣泛運(yùn)用,十九世紀(jì)末至二十世紀(jì)初,自古代人類就開始發(fā)現(xiàn)超聲波了。在電效應(yīng)和順壓電效應(yīng)之后,人們開始獲得了一種電子科學(xué)技術(shù)來產(chǎn)生穩(wěn)定超聲波的手段,在一戰(zhàn)期間法國(guó)物理學(xué)家保羅朗之萬運(yùn)用石英的壓電振動(dòng)來研究和獲得在水中的超聲波,用這些石英壓電振動(dòng)所產(chǎn)生的超聲波就可以直接用來檢測(cè)水里有沒有存在的潛艇還能直接進(jìn)行水下通訊。在這之后日本又提出了一種基于雙頻超聲波的相位檢測(cè)法,它的主要工作原理之一就是分別發(fā)射兩種不同頻率的超聲波,再分別接收兩個(gè)經(jīng)過反射返回的超聲波,通過兩個(gè)超聲波相位從而計(jì)算出距離的測(cè)量方式,但這種測(cè)量方式因?yàn)?π為周期而存在多解值,這個(gè)時(shí)間的不確定性對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)造成一定程度的影響,為了徹底消除這個(gè)過程的不確定性,采用通常的數(shù)據(jù)庫包絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)從而徹底消除這個(gè)過程的不確定性,從而獲得更加精準(zhǔn)的精度。往后諸如figneroa等又提出了一種新的回波計(jì)時(shí)延遲檢測(cè)時(shí)延方法,該時(shí)延檢測(cè)計(jì)時(shí)方法的主要工作基本原理主要也就是通過將峰值回波的時(shí)延由其小于峰值回波時(shí)延和其回波相位的時(shí)延進(jìn)行計(jì)算相加后可以計(jì)算得,分別由于使用不同的時(shí)延檢測(cè)計(jì)時(shí)方法后就可以直接得到其小于峰值的回波時(shí)延和其回波相位的時(shí)延,相加后計(jì)算即可直接獲得其大于回波的時(shí)延傳播持續(xù)時(shí)間[3],用這個(gè)新的檢測(cè)計(jì)時(shí)方法不僅可以做到讓檢測(cè)精度高效地可以達(dá)到18-34米,最大的檢測(cè)誤差精度可以大大降低2%。再往后美國(guó)推出了一款超聲波脈沖回波測(cè)試儀,該測(cè)距儀有著精度高、測(cè)量簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)等特點(diǎn),因此在當(dāng)時(shí)各項(xiàng)系統(tǒng)中,它是運(yùn)用最廣泛的一種,自超聲波脈沖回波測(cè)試儀誕生以來,許多相關(guān)儀器根據(jù)相關(guān)原理,獲得許多改進(jìn)。90年代末,隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的誕生,以及電子元器件的高速進(jìn)步,使得超聲波信號(hào)的采集、分析、運(yùn)用變得更為精準(zhǔn)和可靠。而在目前中國(guó)也已經(jīng)開始逐漸出現(xiàn)各種類型的使用超聲波脈沖測(cè)距儀,廈門大學(xué)的教授童峰在他們的博士論文中已經(jīng)首次明確提出了使用超聲波脈沖測(cè)距儀的實(shí)則就是對(duì)于回波測(cè)距時(shí)產(chǎn)生脈沖波的返還率和回波前沿的脈沖準(zhǔn)確性值并進(jìn)行脈沖誤差值的檢測(cè)。作者本文通過根據(jù)低噪聲的聲波發(fā)射、反映及其聲波傳輸系統(tǒng)原理研究推出并先后運(yùn)用多種實(shí)踐手段驗(yàn)證了歸一化聲波測(cè)距信號(hào)回波回線包絡(luò)接收曲線的信號(hào)接收近似處理方程,據(jù)此研究建立了一種低干擾精度的新型超聲波起伏測(cè)距回線信號(hào)接收處理系統(tǒng)方法,并由其結(jié)合理論基礎(chǔ)分析和應(yīng)用實(shí)踐研究結(jié)果,提出了一種基于歸一化聲波測(cè)距信號(hào)回波回線包絡(luò)接收曲線的新型抗聲波起伏測(cè)距信號(hào)接收處理系統(tǒng)方法,并且詳細(xì)給出了該方法系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件和相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]。隨著時(shí)代的進(jìn)步,無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的超聲波檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域都是向著一個(gè)數(shù)字化、精確性、高速度化的方向發(fā)展。隨著我國(guó)超聲波科學(xué)研究技術(shù)的逐步成熟,國(guó)內(nèi)相繼出現(xiàn)了許多超聲波測(cè)距儀器其功能更加多樣化,其精度更加精準(zhǔn),起先單次采集取樣顯示會(huì)出現(xiàn)較大的誤差,為了改善這種情況之后生產(chǎn)的超聲波檢測(cè)元件逐漸有了記錄、數(shù)據(jù)處理、儲(chǔ)存、分析等功能。其中國(guó)內(nèi)也存在著不乏先進(jìn)的超聲波智能檢測(cè)設(shè)備,其中比較具有代表性的就是2000a型超聲波分析檢測(cè)儀它由中國(guó)煤炭科學(xué)研究院所開發(fā)和研制,它是一種采用微處理器和嵌入式光柵檢測(cè)技術(shù)的新型智能儀器,而這微處理器就像汽車的ECU監(jiān)控并管理著各個(gè)設(shè)備的運(yùn)作,并將采集到的數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)投影到顯示器上,還可外接打印設(shè)備進(jìn)行打印處理,因?yàn)槠錅y(cè)量出來的數(shù)值和波形都相對(duì)穩(wěn)定且操作簡(jiǎn)單、可靠性高、還有斷電保持、后處理串口可供外接等功能,這使得測(cè)量更加容易快速,這在當(dāng)時(shí)儀表設(shè)計(jì)上有著輝煌的成績(jī)且達(dá)到國(guó)際的先進(jìn)水平。由于超聲波可以進(jìn)行非接觸無傷測(cè)量且有較高的精確度,逐漸被人重視。自新中國(guó)成立以來經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn),汽車市場(chǎng)必將快速發(fā)展而安全防撞預(yù)警系統(tǒng)也愈發(fā)重要。如今國(guó)內(nèi)安全防撞預(yù)警系統(tǒng)作為主流的汽車市場(chǎng)已經(jīng)朝著中低端的汽車方式發(fā)展,安全防撞預(yù)警系統(tǒng)也漸漸地普及了每一輛我們正在行駛的汽車,從技術(shù)角度來看,因?yàn)榧呻娐返倪M(jìn)步使得單芯片具有更高的靈敏度、更高的集成程度而安全防撞預(yù)警系統(tǒng)正在趨于以小型化、人性化、智能化的方式發(fā)展。想必安全防撞預(yù)警系統(tǒng)將會(huì)在以后我們的汽車工程行業(yè)中變得不可忽視的一個(gè)組成部分并且伴隨著這些汽車同時(shí)的進(jìn)步。1.2超聲波類型與特性1.1.1超聲波類型就好好像是我們?nèi)缃竦钠嚢凑掌鋵?shí)際用途大致相同可以將其劃分?jǐn)U大成二十多種類型一般,超聲波在實(shí)際日常使用時(shí)按照其方向傳播的運(yùn)動(dòng)方向大致相同可以將其劃分分別為縱、橫波、表面反射波和水平板波。(1)縱波縱向橫波振動(dòng)指的說它是一種縱向振動(dòng),即由縱波的能量傳遞運(yùn)動(dòng)方向和質(zhì)量的點(diǎn)所振動(dòng)產(chǎn)生的各種振動(dòng)傳遞方式幾乎是一致或者幾乎是完全平行的。質(zhì)點(diǎn)在能夠承受交變的抗拉壓力和應(yīng)力的相互作用時(shí),質(zhì)量觸點(diǎn)與其他介質(zhì)物體之間可能會(huì)產(chǎn)生有一個(gè)互相對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)伸縮力和變形,以此方式來幫助構(gòu)造一個(gè)縱面體波[5]。從本質(zhì)上說,縱波的產(chǎn)生主要是基于介質(zhì)中每一個(gè)體元在空氣中發(fā)生了壓縮及其拉伸變形后,并由體元回歸到空氣中恢復(fù)其原狀所帶來的縱向彈性能量產(chǎn)生。若屆時(shí)兩個(gè)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)之間的空隙相等,這時(shí)候所產(chǎn)生的一個(gè)縱波又有時(shí)可以簡(jiǎn)單地被稱為一個(gè)壓縮波或疏密波一般來說只要它們可以受到一定的壓力或者一定的拉力就可以作為一個(gè)縱波。(2)橫波橫波是一種指橫縱波的能量傳遞交點(diǎn)方向和質(zhì)量交點(diǎn)在空中產(chǎn)生質(zhì)量振動(dòng)時(shí)的傳遞方向與其他質(zhì)量交點(diǎn)之間的一種垂直運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在正常情況下固體除了可以接受壓縮和拉伸形變還可以接受剪應(yīng)力帶來的形變,當(dāng)固體受剪應(yīng)力的作用時(shí),固體會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的橫波。(3)表面波表面波形是一種泛指當(dāng)介質(zhì)的表面在某一點(diǎn)上受到交變應(yīng)力的作用時(shí),所發(fā)出的沿著介質(zhì)表面方向傳播的波形。一八八七年英國(guó)著名的物理學(xué)家瑞利(Rayleigh)提出,因此表面波也有瑞利波一稱,其內(nèi)容如圖2-1所示。例如,當(dāng)輻射波長(zhǎng)寬度小于交接介質(zhì)的表層厚度,則在特殊化學(xué)條件下,由無限大的波在固體交接介質(zhì)上和小的氣體交接介質(zhì),的固體交接面上氣體發(fā)出輻射產(chǎn)生的波是物理和自然化學(xué)輻射波。瑞利波使得放在固體物理化學(xué)表面的兩個(gè)質(zhì)心兩點(diǎn)輻射振動(dòng)及其產(chǎn)生的兩個(gè)復(fù)合質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)是其軌跡點(diǎn)也就是兩個(gè)圍繞其放在平衡中心位置的兩個(gè)橢圓,橢圓的長(zhǎng)軸大致垂直于瑞利波的質(zhì)點(diǎn)傳播深度方向,短的長(zhǎng)軸則大致平行于其波的傳播深度方向,質(zhì)心兩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)振幅的差異大小(注意即兩個(gè)橢圓的長(zhǎng)軸和橢圓中心線之間質(zhì)點(diǎn)軸徑的大小差異)與固體物理化學(xué)材料的機(jī)械強(qiáng)度和力學(xué)彈性及產(chǎn)生瑞利波的質(zhì)點(diǎn)傳播過程深度等諸多因素密切有關(guān),其中的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)輻射能量也隨著傳播深度的不斷增加而迅速得到降低或逐漸減弱[6]。(4)板波板波是指中傳播的波，由于質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向不同，板波可分為SH波和蘭姆波。SH波是指在薄板中傳播的橫向水平偏振的橫波。薄板中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于版面，垂直于波的傳播方向，相當(dāng)于固體介質(zhì)表面的橫波。1.1.2超聲波傳播特性(1)音速音速也被稱之為音頻速度,它所指的是一種聲波對(duì)介質(zhì)的傳遞速度,介質(zhì)的彈性強(qiáng)度和介質(zhì)的密度直接地影響著介質(zhì)的橫、縱波和表面頻率。在忽略了空氣阻力和其他各種環(huán)境因素影響下,常溫狀態(tài)下超聲波傳播的速度大約為340m/s,由于其傳播的速度受到周圍環(huán)境壓力的影響強(qiáng)弱、濕度大小、溫度高低的影響,所以實(shí)際速度不會(huì)準(zhǔn)確于340m/s。在其中的超聲波的持續(xù)傳播與其頻率和振動(dòng)速度主要區(qū)別是因?yàn)槭艿酵饨鐪囟瘸掷m(xù)變化的因素影響最大,一般來說,溫度每持續(xù)上升1℃,聲速就可能會(huì)有所增加約平均為0.6m/s其速度如圖2-2所示：圖2-2(2)聲音衰減聲音功率衰減現(xiàn)象是術(shù)語指一種指在聲波向外傳遞信息過程中由于其他波束的直接發(fā)散、吸引、反射、散射而直接導(dǎo)致其他各種聲波在向外傳遞信息過程中所直接產(chǎn)生的其他聲音及其功率水平下降或聲音消失的一種物理現(xiàn)象。其中關(guān)于衰弱的規(guī)律如圖2-3所示：圖2-3聲音諧波衰減的具體形成及其原因主要認(rèn)為有兩個(gè)第一方面,由于不同波束的噪聲擴(kuò)散、晶粒的噪聲散射和對(duì)兩個(gè)介質(zhì)的噪聲吸收而不同導(dǎo)致,由于對(duì)兩個(gè)介質(zhì)的噪聲吸收一般來說指的應(yīng)該是噪聲輻射諧波衰減和噪聲散射波的衰減,而不僅僅只是包括噪聲輻射波的擴(kuò)散。聲音衰減的主要因素?cái)U(kuò)散衰減超聲波在其傳播的過程中,由于波束的擴(kuò)展,使得超聲波的能量跟著時(shí)間的推移而隨著距離的增長(zhǎng)表面逐步減弱,這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。而超聲波的擴(kuò)散和衰減只是根據(jù)波體陣面的大小和形態(tài)而定,與介質(zhì)的特性無關(guān)。散射衰減超聲波反射通過傳播介質(zhì)中氣體進(jìn)行反射傳播時(shí),遇到各種聲阻抗不同的外界面時(shí)就會(huì)間接產(chǎn)生一種分散性的反射而直接引起超聲擴(kuò)散反射衰減的這種情況,稱之為超聲分散反射擴(kuò)展或超衰減。散射力的持續(xù)衰減很大程度與固體材料的總結(jié)晶體積和顆粒結(jié)構(gòu)有著緊密的相互聯(lián)系。傳播體是介質(zhì)中本身的一種晶狀或粒狀晶體結(jié)構(gòu),媒質(zhì)過程中的一些諸如懸浮氣體顆粒、雜質(zhì)和傳播空氣間隙中的一些孔隙等都因?yàn)槟軌蛑苯佑绊憳?gòu)成傳統(tǒng)超聲波的能量散射從而直接導(dǎo)致傳統(tǒng)超聲波發(fā)射功率的極大衰減。吸收衰減當(dāng)一種黏性超聲波輻射通過黏性介質(zhì)中向外引力傳播時(shí),由于通過介質(zhì)中各個(gè)黏性物體之間的外力摩擦(也就是說黏滯性)及其熱傳導(dǎo)而直接引起一種超聲波輻射衰減,稱為黏性吸收力輻射衰減或簡(jiǎn)稱黏性粘滯力輻射衰減。1.3超聲波測(cè)距原理常用的超聲波測(cè)距方法有三種，分別是相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法、渡越時(shí)間檢測(cè)法等。在這次設(shè)計(jì)中用的是渡越時(shí)間法作為超聲波測(cè)距方法[8]。渡越時(shí)間法主要是測(cè)量出發(fā)射及反射回來接收到的時(shí)間，測(cè)試距離的原理如圖2-4所示，圖2-4渡越時(shí)間法測(cè)距原理圖圖2-4渡越時(shí)間法測(cè)距原理圖用下式來計(jì)算超聲波發(fā)射一端與障礙物所間隔的距離，用s表示，即∴超聲波發(fā)射一端傳播的速度，以m/s作為單位，用c來表示：∵d>h，d約等于s?！嘣诒酒?/p>