第11章超聲波傳感器

1、第11章 超聲波傳感器及其應用隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，各種高新傳感器應運而生，超聲波傳感器就是其中之一，在一些測量人們不方便到達的地方的一些物理量時，利用超聲波傳感器可以實現(xiàn)。如果需要測量深井距離最好的方法就是利用超聲波傳感器幫助實現(xiàn)。超聲波傳感器實物如圖11-1所示。圖11-1 超聲波傳感器實物圖 超聲波測量距離是最常用方法之一，測量距離的原理是測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波速度就得到2倍的聲源與障礙物之間的距離。超聲波傳感技術應用在生產實踐的不同方面，而醫(yī)學應用也是其最主要的應用領域，下面以醫(yī)學為例子說明超聲波傳感技術的應用。超聲波在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病，

2、它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質界面是，在該界面就產生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。 在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現(xiàn)改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應用中，超

3、聲波將與信息技術、新材料技術結合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。 超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。 超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波 檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。 超聲波距離傳感器可以廣泛應用在物位（液位）監(jiān)測，機器人防撞，各種超聲波接近開關，以及防盜報警等相關領域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接 。11.1 超聲波傳感器為了正確使用超聲波傳感器，簡單了解一下其工作原理十分必要。 超聲波傳感器原理超聲波發(fā)射

4、原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產生機械振動，發(fā)射出超聲波。接收原理是當超聲波作用在磁滯材料時，使磁滯材料磁場變化，使線圈產生感應電勢輸出。超聲波是指頻率高于20kHz的機械波。作為傳感器它必須具備產生超聲波和接收超聲波的裝置，完成這些功能的裝置習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率變化產生機械變形。另一方面當振動壓電陶瓷時則會產生電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振蕩器（即雙壓電晶片元件）施加一個電信號時就會因為彎曲振動發(fā)出超聲波。相反當雙壓電晶片元件施加超聲振動時就會產生一個電信號。基于以上作用，就可以用壓電陶瓷制成

5、超聲波傳感器。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉換，即在發(fā)射超聲波的時候將電能轉換成機械波發(fā)射；接收時將收到的回波轉換成電信號。超聲波傳感器是應用傳感器頭部的壓振陶瓷的振動，產生高頻(人耳聽不見)聲波來停止感應的，假如這聲波碰到了某個物體反射回來，傳感器就能接納到回波。傳感器依據(jù)聲波波長和發(fā)射及接納回波的時間差就能肯定傳感器探頭與物體之間的間隔。典型應用，一個傳感器能夠經(jīng)過按鈕的設定來具有近間隔和遠間隔兩種設定，無論物體在那一種界線里，傳感器都能夠檢測到。例如：超聲波傳感器能夠裝置在一個裝液體的池子上

6、，或者是一個裝小球的箱子上，向這個容器發(fā)出聲波，經(jīng)過接納到返回波的時間長短就能肯定這個容器是滿的、空的或者是局部滿的。 超聲波傳感器還能夠是對射式的，即獨立的發(fā)射器和接納器。當檢測遲緩挪動的物體，或者需求快速響應或者在濕潤環(huán)境中應用時，這種對射式或者叫分體式的超聲波傳感器十分適用。 超聲波傳感器的主要性能指標超聲波傳感器的主要性能指標有：1、工作頻率工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出端能量最大，靈敏度也最高。2、工作溫度由于壓電材料受溫度變化而存在些許變化，對于小功率的超聲波傳感器功率比較低，可以長時間工作，而對于大功率的超聲波傳感器則工作時

7、間不宜過長，如果需要長時間工作，應該采取散熱手段。超聲波在空氣中傳播的速度，在340m/S左右，與環(huán)境溫度和適度有關系的，所以超聲波測距最好加溫度補償電路。3、靈敏度主要取決于制造晶片本身，機電耦合系數(shù)大則靈敏度高，反之則低。 超聲波的應用領域1.超聲檢驗超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內部形象的技術 。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信

8、號輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進行檢查，在材料科學中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術，其原理與光波的全息術基本相同，只是記錄手段不同而已。用同一超聲信號源激勵兩個放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖，用激光束照射聲全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時產生的衍射效應而獲得物的重現(xiàn)

9、像，通常用攝像機和電視機作實時觀察。2.超聲處理利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應用。3.基礎研究超聲波作用于介質后，在介質中產生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對聲波的吸收。通過物質對超聲的吸收規(guī)律可探索物質的特性和結構，這方面的研究構成了分子聲學這一聲學分支。普通聲波的波長遠大于固體中的原子間距，在此條件下固體可當作連續(xù)介質 。但對頻率在1012Hz以上的 特超聲波 ，波長可與固體中的原

10、子間距相比擬，此時必須把固體當作是具有空間周期性的點陣結構。點陣振動的能量是量子化的 ，稱為聲子（見固體物理學）。特超聲對固體的作用可歸結為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準粒子的相互作用。對固體中特超聲的產生、檢測和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體液態(tài)氦中聲現(xiàn)象的研究構成了近代聲學的新領域。11.2 6500系列超聲波傳感器模塊此超聲波傳感器模塊是集發(fā)送與接收一體的一種傳感器。傳感器里面有一個圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一層金屬薄膜，在其背面有一個鋁制的后板。薄片和后板構成了一個電容器，當給薄片加上頻率為49.4kHz的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，從而產生頻率為49.4kHz

11、的超聲波。當接收回波時，模塊內有一個調諧電路，使得只有頻率接近49.4kHz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾。6500系列超聲波傳感器模塊（以下簡稱6500模塊）是在600系列超聲波傳感器的基礎上進行改進而成的，其實物如圖11-2所示。其中（a）為實物圖、（b）為解剖圖。圖10-2 6500系列超聲波傳感器模塊實物圖 6500系列超聲波傳感器模塊簡介6500系列超聲波傳感器模塊是基于600系列超聲波傳感器組合而成，集發(fā)射和接收于一身，并且提供直接和單片機連接的接口信號。6500系列超聲波傳感器模塊的原理如圖11-3所示。11-3 6500系列超聲波傳感器模塊的原理圖圖中TL851是一

12、個經(jīng)濟的數(shù)字12步測距控制集成電路。內部有一個420KHz的陶瓷晶振，6500系列超聲波距離模塊開始工作時，在發(fā)送的前16個周期，陶瓷晶振被85分頻，形成494KHz的超聲波信號，然后通過三極管Q1和變壓器T1輸送至超聲波傳感器。發(fā)送之后陶瓷晶振被45分頻，以供單片機定時用。TL852是專門為接收超聲波而設計的芯片。因為返回的超聲波信號比較微弱，需要進行放大才能被單片機接收，TL852主要提供了放大電路當TL852接收到4個脈沖信號時，就通過REC給TL851發(fā)送高電平表明超聲波已經(jīng)接收。被檢測物反射回的回波傳輸后為了消除傳感器固有的阻尼振蕩，測距控制 IC 的接收輸入 (REC) 在開始信號

13、(INIT) 之后通過內部消隱被抑制 2.38 ms。如果需要減少消隱時間 ，那么 BINH 輸入變成高電平，這樣在內部消隱之前中止接收輸入消隱。這樣就可以檢測最短 1.33 英尺的距離（相對于 2.38 ms），另外如果傳感器衰減的夠快那么返回信號將不被響應。6500模塊有兩個基本工作模式：單回波模式和多回波模式。電源 (VCC) 的應用，開始輸入 (INIT) 的應用，傳輸?shù)慕Y果，和抑制消隱輸入(BINH)的使用在兩種工作模式下基本上都是一樣的。加電以后，INIT 信號變成高電平前必須至少經(jīng)過 5 ms，在此期間，所有的內部電路被重置、內部振蕩器穩(wěn)定。當 INIT 變?yōu)楦唠娖胶篁寗觽鞲衅?

14、(XDCR)發(fā)出信號。49.4 kHz 下 16 個脈沖從傳感器中發(fā)出。16 脈沖傳輸完后，為了最合適的接收工作，傳感器中保持 200 VDC 偏壓（推薦）。 被檢測物反射回的回波傳輸后為了消除傳感器固有的阻尼振蕩，測距控制 IC 的接收輸入 (REC) 在開始信號(INIT) 之后通過內 部消隱被抑制 2.38 ms。如果需要減少消隱時間 ，那么 BINH 輸入變成高電平，這樣在內部消隱之前中止接收輸入消隱。這樣就可以檢測最短 1.33 英尺的距離（相對于 2.38 ms），另外如果傳感器衰減的夠快那么返回信號將不被響應。單回波模式：單回波工作模式下，所需要做的就是等待傳輸信號的返回，每英尺

15、的輸出和返回大約需要 0.9 ms。 返回信號被放 大并作為一個高電平信號輸出。INIT 變成高電平和 Echo (ECHO)輸出變?yōu)楦唠娖街g的時間與傳感器與測量目標之間的距離 是成比例的。如果需要，當準備下一次傳輸?shù)臅r候可以返回一個低電平的 INIT 信號然后再使它變?yōu)楦唠娖剑@樣就可以使周 期重復。多回波模式：600系列智能傳感器有一個外部消隱輸入, BLNK, 在多回波工作模式下可以選擇性的排除回波，也可以區(qū)分與目標物相隔3英寸的回波。如果多于一個目標和單傳輸檢測多重回波，那么這個周期有些許的差別。 接收到第一個使ECHO輸出 變?yōu)楦唠娖降姆祷匦盘栆院螅?消隱輸入 (BLNK) 必須變

16、成高電平然后再變?yōu)榈碗娖剑灾刂?ECHO 輸出，這樣就可以接收下 一個返回信號了。消隱信號在解決所有第一個目標返回的全部16個返回脈沖期間必須至少保持0.44ms，并且允許內部延遲時間。此符合相隔3英寸的兩個目標。 增益控制和增益調節(jié) INIT 變?yōu)楦唠娖?，一個周期開始，接收放大器增益被非連續(xù)性的提高，因為傳輸信號隨著距離的增長在衰減。大約在38ms時獲得最大的增益。為了校準增益電位器，將探測目標放置在希望探測的最遠距離處。旋轉“增益調節(jié)”按鈕，順時針旋到底，然后慢慢地順時針旋轉“增益控制”直到探測出現(xiàn)，再旋轉增益控制。 注意：為了可靠測量總是調節(jié)“增益控制”到所需的最小增益。過多地增益可能

17、導致目標探測的失敗。 6500模塊引腳介紹6500模塊引腳如圖11-4所示。圖11-4 6500模塊引腳圖第 1腳 電源：接工作電源。 第2 腳 公共端 ：接電源地。 第3 腳 回波輸出 ：TTL 邏輯電平輸出(0-5 VDC)，當接收到回波信號時改變狀態(tài)。 第4 腳 OSC 輸出：TTL 邏輯電平輸出(0-5 VDC)，內部49,4 kHz晶振器輸出。 注意：只有當INIT信號(pin5)是高電平時該腳輸出 。 第 5 腳 INIT 輸入 ：TTL 邏輯電平輸入或輸出， 當從低到高變化時初始化一個傳輸/接收周期，目標探測期間信號必須保持高電平 第 6 腳 BINH 輸入 ：TTL 邏輯電平輸

18、入：高電平時可進行多目標探測， 正常工作下與第2腳可連接也可不連接。 第 7 腳 BLNK 輸入 ：TTL 邏輯電平輸入：當發(fā)出一個信號后，輸入信號為高電平時重置接收器的閾值， 這樣可進行多回波檢測，正常工作下與pin2腳可連接也可不連接。 可編程跳線： 跳線安裝后內部5 Hz重復率，消除外部INIT輸入。當連接時，內部晶振提供 INIT信號， 此時INIT管腳輸出。 增益調整可改變輸出信號的強弱。11.2.3 6500模塊技術參數(shù)1）、工作環(huán)境技術參數(shù)最大最小單位供電電壓， Vcc125V高電平輸入電壓，VIH（BLNK、BINH、INIT）2.1V低電平輸入電壓， VIL（BLNK、BIN

19、H、INIT）0.8VINIT、 ECHO 、 OSC 輸出電壓6.8V延遲時間，INIT變?yōu)楦唠娖?8ms循環(huán)周期0ms空氣中工作溫度4002）、技術參數(shù)參數(shù)測試條件典型最小最大單位輸入電流 （BLNK、BINH、INIT）Vi = 2.1 V1mA高電平輸出電流IOH （ECHO、OSC、INIT）VOH = 5.5V100A低電平輸出電壓VOL （ECHO、 OSC、INIT）IOL= 1.6 mA0.4V內部消隱期2.38msXMIT 驅動信號時間1.1ms16脈沖時的頻率 OSC 輸出49.9kHz傳輸周期 XMIT 輸出49.9kHz16脈沖后的頻率 OSC 輸出93.3kHz傳輸

20、周期 XMIT 輸出0kHz供電電流傳輸期間2000mA供電電流傳輸后100mA11.3 應用舉例 本系統(tǒng)采用AT89C51來實現(xiàn)對6500模塊的控制。單片機通過P1.4引腳來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0（P3.2）引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 其計算公式為： 超聲波測距的硬件設計超聲波測距的硬件設計連接圖如圖11-5所示：圖11-5 超聲波測距的硬件設計連接圖工作原理：1、 按下S1鍵，開始測量；通常情況下P1.0高電平，當按下啟動按鈕時，P1.0低電

21、平。2、 單片機通過P1.4送出“0”，啟動6500模塊進入測量、同時啟動定時器開始定時。3、 當INT0（P3.2）出現(xiàn)高電平時停止定時器。4、 將定時時間換算成已秒為單位。由于系統(tǒng)采用12MHz晶振，則機器周期為1s，因此應該將s換算成s。5、 根據(jù)D=C t / 2，由定時時間計算被測量距離。6、 將被測量距離在顯示器顯示。顯示器采用7段共陰極數(shù)碼管，顯示方式采用動態(tài)顯示，段碼由P0口提供，位碼分別由P2.0、P2.1、P2.2提供。為了增強位碼的驅動能力，這里采用C9013三極管進行放大。 程序流程圖超聲波測距系統(tǒng)的程序流程圖如圖11-6所示。圖11-6 超聲波測距系統(tǒng)的程序流程圖 程

22、序清單JS EQU 30HBCSEQU 40HCSEQU 50HJIEUQ 60H ORG 0000H AJMP START ORG 000BH PUSH PSW PUSH ACC INC DPTR；對100s進行計數(shù) POP ACC POP PSW RETISTART: MOV SP,#70H ；設置堆棧指針 MOV TMOD #0AH ；設置T0方式2且定時受INT0控制 MOV TH0,#150H ；定時100s MOV TL0,#0150HMOV DPTR,#0000H；計數(shù)單元清零 MOV IE,#82H ；開中斷STAR0: JB P1.4,$ ；等待鍵盤輸入 CLR P1.4 ；

23、有鍵盤輸入，啟動距離測量 SETB TR0 ；定時開始STAR1: JB P3.2,$ ；等待回波 CLR TR0 ；有回波，停止定時 SETB P1.4 ；停止距離測量MOV R0,#BCS；保存定時時間，作為被乘數(shù)MOV R0,DPLINC R0MOV R0,DPH MOV DPTR,#17000；聲速常數(shù)C（340）/2=170，定時間以100s 為單位 MOV R0,CS；保存常數(shù)，作為乘數(shù)MOV R0,DPLINC R0MOV R0,DPHMOV R0,#CS；進入多字節(jié)乘法程序MOV R1,#BCSMOV R2,#02HMOV R3,R2MOV R4,#JIDOMUL:MOV A,

24、R1MOV R6,AMOV A,R0MOV R5,AMOV A,R2ADD A,R3MOV 26H,AMOV R7,AMOV A,R4MOV R0,ACLEAR:MOV R0,#00HINC R0DJNZ R7,CLEARMOV A,R4MOV R7,AMOV 27H,R7MOV 20H,R2LP0:MOV A,R5MOV R0,AMOV A,R0MOV B,R1MUL ABMOV 21H,AMOV A,R4MOV R0,AMOV A,21HADD A,R0MOV R0,AMOV A,BINC R0ADDC A,R0MOV R0,AINC R0MOV A,R0ADDC A,#00HMOV R0,ADEC R0MOV A,R0MOV R4,AINC R1DJNZ R2,LP0MOV R2,20HMOV A,R6MOV R1,AMOV A,R7INC A MOV R7,AMOV R4,AINC R5DJNZ R3,LP0MOV R4,27HMOV R5,26HINC R4INC R4MOV R0,R4；取運算結果 MOV R2,R0INC R0 MOV R3,R0 CLR A；將多字節(jié)二進制轉換成相應BCD碼 MOV R4，A