1、文獻(xiàn)綜述 題 目 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述 學(xué)生姓名 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 院 （系） 電氣信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 2014 年06月01日 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述摘 要我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱(chēng)為“超聲波”。超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，同時(shí)它是一種非接觸式的檢測(cè)方式，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響，因此經(jīng)常被用于距離的測(cè)量。超聲測(cè)距技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、車(chē)輛導(dǎo)航、水聲工程等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，目前已應(yīng)用于物位測(cè)量、機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航以及空氣中與水下的目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、定位等場(chǎng)合。因此，深入研究超聲波測(cè)距的理論和方法具有重要的實(shí)踐意義。關(guān)鍵詞 超聲波 超聲波測(cè)

2、距 車(chē)輛導(dǎo)航 物位測(cè)量1 引言1.1 超聲波簡(jiǎn)介一般認(rèn)為，關(guān)于超聲的研究最初起始于1876年F1Galton 的氣哨實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)Galton 在空氣中產(chǎn)生的頻率達(dá)300K Hz,這是人類(lèi)首次有效產(chǎn)生的高頻聲。而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展往往與一些偶然的歷史事件相聯(lián)系。對(duì)超聲的研究起到極大推動(dòng)作用的是,1912年豪華客輪Titanic號(hào)在首航中碰撞冰山后的沉沒(méi)，這個(gè)當(dāng)時(shí)震驚世界的悲劇促使科學(xué)家們提出用聲學(xué)方法來(lái)預(yù)測(cè)冰山，在隨后的第一次世界大戰(zhàn)中，對(duì)超聲的研究得以進(jìn)一步的促進(jìn)。近些年來(lái)，隨著超聲技術(shù)研究的不斷深入，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱(chēng)為“超聲波”。再加上其具有的高精度、無(wú)損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲的

3、應(yīng)用變得越來(lái)越普及。目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。而我國(guó)，關(guān)于超聲波的大規(guī)模研究始于1956年。迄今，在超聲的各個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)展了研究和應(yīng)用，其中有少數(shù)項(xiàng)目已接近或達(dá)到了國(guó)際水平。1.2 超聲波測(cè)距簡(jiǎn)介超聲測(cè)距指的是利用超聲波的反射特性進(jìn)行距離測(cè)量，是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向

4、上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高。超聲波測(cè)距儀，可以應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控和移動(dòng)機(jī)器人的研制上，也可在潮濕高溫，多塵等惡劣環(huán)境下工作。例如：液位、厚度、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。超聲波測(cè)距作為一種典型的非接觸測(cè)量方法，在很多場(chǎng)合，諸如工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量，機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別，倒車(chē)防撞雷達(dá)，海洋測(cè)量，物體識(shí)別等方面得到廣泛的應(yīng)用。超聲波具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。與激光測(cè)距、紅外線測(cè)距相比,超聲波對(duì)外界光線、色彩和電磁場(chǎng)不敏感,更適于黑暗、電磁干擾強(qiáng)、有毒、灰塵或煙霧的惡劣環(huán)境,可在潮濕高溫，多塵等惡

5、劣環(huán)境下工作，例如：液位、厚度、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。在識(shí)別透明及漫反射性差的物體上也更有優(yōu)勢(shì)。由于聲波在空氣中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光線和無(wú)線電波的傳播速度，對(duì)于時(shí)間測(cè)量精度的要求遠(yuǎn)小于激光測(cè)距、微波測(cè)距等系統(tǒng)。相比于其它定位技術(shù)而言，超聲波定位技術(shù)成本低、精度高、操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠，非常適合于短距離測(cè)量定位。因而超聲波測(cè)距器電路易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低，而且以聲速傳播，便于檢測(cè)和計(jì)算。1.3超聲波測(cè)距的優(yōu)缺點(diǎn)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，測(cè)距問(wèn)題顯得越來(lái)越重要。目前常用的測(cè)距方式主要有雷達(dá)測(cè)距、紅外測(cè)距、激光測(cè)距和超聲測(cè)距4種。與其他測(cè)距方法相比較，超聲測(cè)距具有下面的

6、優(yōu)點(diǎn)： （1） 超聲波對(duì)色彩和光照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體。 （2）超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。 （3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、技術(shù)難度小、信息處理簡(jiǎn)單可靠、易于小型化和集成化。然而超聲波測(cè)距在實(shí)際應(yīng)用也有很多局限性，這都影響了超聲波測(cè)距的精度。一是超聲波在空氣中衰減極大,由于測(cè)量距離的不同,造成回波信號(hào)的起伏,使回波到達(dá)時(shí)間的測(cè)量產(chǎn)生較大的誤差;二是超聲波脈沖回波在接收過(guò)程中被極大地展寬,影響了測(cè)距的分辨率,尤其是對(duì)近距離的測(cè)量造成較大的影響。其他還有一些因素,諸如環(huán)境溫度、風(fēng)速等也會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定的

7、影響,這些因素都限制了超聲波測(cè)距在一些對(duì)測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合的應(yīng)用,如何解決這些問(wèn)題,提高超聲波測(cè)距的精度,具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。相信將來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲波測(cè)距也會(huì)越來(lái)越完善。2 目前研究狀況和發(fā)展趨勢(shì)2.1 目前超聲波測(cè)距的主要方法超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。目前測(cè)量距離一般都采用波在介質(zhì)中的傳播速度和時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。目前常見(jiàn)的測(cè)距原理和方法主要有脈沖回波法和相位差法兩種。相位差法與脈沖回波法的不同體現(xiàn)在對(duì)回波的處理方式上，由超聲波換能器接收端獲得調(diào)制聲波的回波，經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換后，得到與放大的相位完全相同的電信號(hào)，此電信號(hào)放大后與光源的驅(qū)動(dòng)電壓相比較，測(cè)得兩個(gè)正弦電壓

8、的相位差，根據(jù)所測(cè)相位差就可算得所測(cè)距離。由于采用的是相位比較，使得測(cè)距精確度大大提高，但這種方法本身存在明顯的缺陷。由于相位測(cè)量存在以2n為周期的多值解，從而容易造成解的不確定性。為了消除多解，常常需要引入包絡(luò)檢測(cè)和采用發(fā)射多種不同頻率波的方式減小不確定度，這就使得該方法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜化。2.2 常見(jiàn)超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.2.1 利用分立模塊的超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)一般由超聲波測(cè)距模組、LED數(shù)碼顯示模組、驅(qū)動(dòng)模組控制模組及電源五部分組成。超聲波測(cè)距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制，超聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產(chǎn)生電路。顯示模塊是一個(gè)8位

9、段數(shù)碼顯示的LCD；測(cè)量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為X點(diǎn)XX米，同時(shí)還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。電源采用9V的DC電源輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統(tǒng)各部分電路使用。優(yōu)點(diǎn)：具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、出錯(cuò)管理功能。缺點(diǎn)：能測(cè)的最小距離比較長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)距，電路復(fù)雜性能穩(wěn)定性不高。2.2.2 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀此類(lèi)超聲波測(cè)距儀主要以單片機(jī)為核心，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動(dòng)周?chē)諝庹駝?dòng)來(lái)工作的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。一般情況下，超聲波在空氣中

10、的傳播速度為340m/ s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t ，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即S=340t/2，這就是常用的時(shí)差法測(cè)距。在測(cè)距計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：測(cè)量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號(hào)，單片機(jī)計(jì)數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計(jì)數(shù)；當(dāng)信號(hào)發(fā)射一段時(shí)間后，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號(hào)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)起始時(shí)的同步；當(dāng)接收信號(hào)的最后一個(gè)脈沖到來(lái)后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。雙向超聲波測(cè)距儀的系統(tǒng)主要有幾下部分組成：LED顯示模塊，單片機(jī)（以AT89C51芯片為例），超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，電源模塊等五大模塊組成。優(yōu)點(diǎn)：雙向測(cè)距，精度高，功耗低。在電路中我們采

11、用PIC芯片它的優(yōu)點(diǎn)是：精簡(jiǎn)指令使其執(zhí)行效率大為提高；徹底的保密性；其引腳具有防瞬態(tài)能力，通過(guò)限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無(wú)須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來(lái)極大方便。2.3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)隨著單片機(jī)在全球的普及，方案一因其測(cè)量盲區(qū)較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定性不高等缺點(diǎn)逐漸被市場(chǎng)淘汰。而基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距已日趨成熟并成為市場(chǎng)的主流。但值得注意的是，由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)。超聲波在空氣中傳播速度會(huì)隨介質(zhì)溫度的升高而增加，氣溫每上升1，聲波速度增加0.6m/s，所以在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的，如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)增加溫

12、度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 結(jié)論通過(guò)查閱各種超聲波測(cè)距的文獻(xiàn)資料，我初步了解了超聲波測(cè)距的基本原理和硬件模塊。我發(fā)現(xiàn)基于單片機(jī)的帶溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距是目前市場(chǎng)的主流，它能夠滿(mǎn)足大多數(shù)場(chǎng)合的所需要求。單片機(jī)因其體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、易于開(kāi)發(fā)編程等優(yōu)點(diǎn)使超聲波測(cè)距更加簡(jiǎn)潔方便，設(shè)計(jì)中添加溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)波速的溫度補(bǔ)償，消除了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使測(cè)量誤差降低。此類(lèi)型的超聲波測(cè)距系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各種需要測(cè)量距離或物位參數(shù)的場(chǎng)合。而我也通過(guò)前輩的文獻(xiàn)資料，了解了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，尋找到了問(wèn)題的突破口。參考文獻(xiàn)1李為民.基于stc89單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀N.陜

13、西師范大學(xué)報(bào),2000,20(1).2胡福云.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀J.科技視野,2005,13(4):11-20.3袁德慶,肖圣,馬曉燕.多通道超聲波液體流量測(cè)控系統(tǒng)J.石油儀器,2005(10): 24-26.4阮成功,藍(lán)兆輝,陳碩.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)J.應(yīng)用科技,2004,31(7):22-24.5莫樹(shù)彬.湘江航道工程勘測(cè)方法綜述J.湖南交通科技,1994,20(3):41-46.6曾德懷,謝存禧,張鐵,黃瑞華.行走機(jī)器人的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2004,23(5):613-616.7張鵬,張有志.一種新型超生測(cè)距系統(tǒng)N.山東:山東大學(xué)學(xué)報(bào),2003,33(1).8韓楓,姚旺生,劉霞.超聲波測(cè)距和閾值判斷的PROTEL仿真J.艦船電子工程，2003（2）：59-61. 9李麗霞.單片機(jī)在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用R.電子技術(shù),2002(6):7-9.10姜道連,寧延一,袁世良.用AT89C2051設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀J.國(guó)外電子元器件,2000（12）.11馬湛.非接觸式水位測(cè)量技術(shù)在美國(guó)的發(fā)展J.水利水文自動(dòng)化，1999（1）：49-53. 12權(quán)斌,徐紅.水電廠水庫(kù)水位、水深、泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)J.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,1998(5):47-49.13V.Yu.Teplov,A.V.Anisimov.ThermostattingSystemUsing