超聲波測距總結(jié)

超聲波測距超聲波傳感器用于超聲控制元件，它分為發(fā)射器和接收器。發(fā)射器將電磁振蕩轉(zhuǎn)換為超聲波向空氣發(fā)射，接收器將接受的超聲波進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器，即將電振蕩的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械振蕩，形成超聲波；或者有超聲波能量轉(zhuǎn)換為電振蕩。常用的傳感器有T40-XX和R40-XX系歹列，UCM-40T和UCM-40R系列等；其中T代表發(fā)射傳感器，R代表接收傳感器，40為中心頻率40KHZ。超聲波的傳播速度縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)以及介質(zhì)的密度。液體中的縱波聲速：6=、「蚓p氣體中的縱波聲速：C2="P?y/p式中：K—體積彈性模量y——熱熔比P——靜態(tài)壓力p——密度注：氣體中聲速主要受溫度影響，液體中聲速主要受密度影響，固體中聲速主要受彈性模量影響；一般超聲波在固體中傳播速度最快，液體次之，氣體中傳播速度最慢。超聲波測距原理通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播時(shí)碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為V,而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差△t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即：S=V*At/2這就是所謂的時(shí)間差測距法或：■置目標(biāo)被測距離4*心國。式中：佛為超聲波傳播距離；h為發(fā)射探頭與接收探賣之間的距離”■置目標(biāo)田于m遠(yuǎn)大于h，因此可近威為E，B]IJd=3=Ct/2?t為發(fā)射超聲波與接收起聲波的時(shí)間間隔，d為超聲波在空氣中的傳播速度。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。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。常溫下超聲波的傳播速度是334米/秒,但其傳播速度V易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1C,聲速增加約0.6米/秒。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?本系統(tǒng)正是采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度T時(shí)，超聲波傳播速度V的計(jì)算公式為：V=331.45+0.607T聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機(jī)理。表1聲速與溫度關(guān)系表用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各有不同，因而用途也各有不同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，其又可分為兩類：(1)順壓電效應(yīng)：某些電介物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；

當(dāng)外力去掉后，又從新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱順壓電效應(yīng)（超聲波接收器的工作原理）。（2）逆壓電效應(yīng)：在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)（超聲波發(fā)射器的工作原理）。障礙物系統(tǒng)框圖超聲波發(fā)射電路方案一障礙物利用555定時(shí)器構(gòu)成多謝振蕩器產(chǎn)生40KHz的超聲波。如下圖為555定時(shí)器構(gòu)成的多謝振蕩器，復(fù)位端4由單片機(jī)的P0.4口控制，當(dāng)單片機(jī)給低電平時(shí)，電路停振；當(dāng)單片機(jī)給高電平時(shí)電路起振。接通電源后，電容C2來不及充電，6腳電壓Uc=0，則U1=1,555芯片內(nèi)部的三極管VT處于截止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)Vcc經(jīng)

過R3和R2向C2充電，當(dāng)充至Uc=2/3Vcc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)U1=0,VT導(dǎo)通；這時(shí)電容C2經(jīng)R2和VT放電，當(dāng)降至Uc=1/3Vcc時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)U1=1.C2放電終止、又從新開始充電，周而復(fù)始，形成振蕩。其振蕩周期t1和放電時(shí)間t2有關(guān)，振蕩周期為：T=t1+t2^0.7(R3+2R2)C2f=1/T=1/(t1+t2)^1.43/(R3+2R2)C2=40KHz—5]:。再將R2和R3=143/C2-—5]:。再將R2和R3=143/C2-f-2R2C2=3300pf,R2=2.7K。C2C2=3300pf,R2=2.7K。555芯片3詢的輸出披脂為了方面在實(shí)驗(yàn)中使用555芯片的3腳輸出40KHz的方波，在這里將其用10K的電位器代替。為了增大U1的輸出功率，將555芯片的8腳接+12v的電壓，同時(shí)將其復(fù)位端4腳接高電平，使用示波器觀察555芯片3腳的輸出波形，通過調(diào)節(jié)電位器R3的阻值，使其輸出波形的頻率為40KHz。方案二該超聲波發(fā)射電路，由F1至F3三門振蕩器在F3的輸出為40KHz方波，工作頻率主要由C1、R1和RP決定，用RP可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)頻率。F3的輸出激勵(lì)換能器T40-16的一端和反相器F4輸出激勵(lì)換能器T40-16（反饋耦合元件）的另一端，因此，加入F4使激勵(lì)電壓提高了一倍。電容C2、C3平衡F3和F4的輸出使波形穩(wěn)定。電路中的反相器用CC4069六反相器中的四個(gè)反相

器剩余兩個(gè)不用（輸入端應(yīng)接地）。電源用9V疊層電池；測量F3輸出頻率應(yīng)為40KHz,否則應(yīng)調(diào)節(jié)RP，發(fā)射波信號(hào)大于8m。方案三ITL-JITL-J氣di該超聲波發(fā)射電路由VT1、VT2組成正反饋振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反饋元件的T40-16,其諧振頻率為40KHz；頻率穩(wěn)定性好，不需做任何調(diào)整，并由T40-16作為換能器發(fā)出40KHz的超聲波信號(hào)；電感L1與電容C2調(diào)諧在40KHz起作諧振作用。本電路電壓較寬（3v至12v），且頻率不變。電感采用固定式，電感量5.1mH，整工作電流約25mA，發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。方案四路功能，通過超聲波換能器T40-16輻射出超聲波去控制接收器。其中門YF1和門YF2組成可控振蕩器，當(dāng)S按下時(shí)，振蕩器起振，調(diào)整RP改變振蕩器頻率為40KHz；振蕩信號(hào)分別控制由YF3、YF4組成的差相驅(qū)動(dòng)器工作，當(dāng)YF3輸出高電平時(shí)，YF4輸出低電平，當(dāng)YF3輸出低電時(shí)，YF4輸出高電平。此電平控制T40-16換能器發(fā)出40KHz超聲波。電路中YF1至YF4采用高速CMOS電路74HCOO四與門電路，該電路特點(diǎn)是輸出驅(qū)動(dòng)電流大（大于15mA），效率高等；電路工作電壓9V，工作電流大于35mA，發(fā)射超聲信號(hào)大于10m。方案五■■呼n曰本電路采用LM386對輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，LM386多用于音頻放大，而在本電路中用于超聲波發(fā)射。如圖所示，LM386第1腳和第8腳之間串接的E1和R1，使電路獲得較大的增益；TO為單片機(jī)輸入口的脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大后由5腳輸出，驅(qū)動(dòng)探頭發(fā)射超聲波。超聲波接收器模塊方案一超聲波接收傳感器通過壓電轉(zhuǎn)換的原理，將由障礙物返回的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由于該信號(hào)幅度較?。◣椎綆资练虼隧氂械驮肼暦糯?、40kHz帶通濾波電路將回波信號(hào)放大到一定幅度，使得干擾成分較小，其電路如下所示。在此電路中，為了防止在超聲波接收器上始終加有一直流信號(hào)讓其工作導(dǎo)致傳感器的壽命縮短，從而加上一隔直電容C4,從而C4和R5構(gòu)成濾波電路。在電路中，放大部分采用的是高速型運(yùn)放TL084。綜合考慮了反相放大器、同相放大器和測量放大器的優(yōu)缺點(diǎn)后，最終選擇了同相放大電路。因?yàn)橥喾糯笃鞯睦硐胼斎胱杩篂闊o窮大，理想輸出阻抗為零，其帶負(fù)載能力較強(qiáng)等因素。在此電路中，根據(jù)同相放大器的閉環(huán)增益公式：Af=1+Rf/Rr由于接收到的信號(hào)幅度為幾到幾十毫伏，所以需要將其放大400多倍使得其接收到的40KHz信號(hào)不會(huì)被干擾信號(hào)給掩蓋。為了防止引起運(yùn)算放大器的自激振蕩，在第一級(jí)的放大電路中，R7取值為470Kq,R8取值為10Kq，其增益放大：Af1=1+R7/R8=48在第二級(jí)放大電路中，R11的取值為100KQ，R12的取值為10KQ，其放大增益：Af2=1+R11/R12=11兩級(jí)增益為：Af=Af1-Af2=528

同相放大器的平衡電阻R6和R10的取值均為10K。平衡電阻公式為：Rp=Rf/（Rf+Rr）C5和R9構(gòu)成了一階濾波電路。方案二C5

npSPEYERC5

npSPEYER該電路主要有集成電路CX20106A和超聲波換能器TCT40-10SI構(gòu)成。利用CX20106A做接收電路載波頻率為38KHz；通過適當(dāng)?shù)母淖僀7的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。工作原理：當(dāng)超聲波接收探頭接收到超聲波信號(hào)時(shí)，壓迫壓電晶體做振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，由紅外線檢波接收集成芯片CX20106A接收到電信號(hào)后，對所接信號(hào)進(jìn)行識(shí)別U，若頻率在38KHz至40KHz左右，則輸出為低電平，否則輸出為高電平。方案三雙穩(wěn)式超聲波接收電路電路中，由VT5、VT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)VT4每導(dǎo)通一次（發(fā)射機(jī)工作一次），觸發(fā)信號(hào)C7、C8向雙穩(wěn)電路送進(jìn)一個(gè)觸發(fā)脈沖，VT5、VT6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)VT6從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，VT5截止，VT7導(dǎo)通，繼電器K吸合???調(diào)試時(shí)，在a點(diǎn)與+6V（電源）之間用導(dǎo)快速短路一下后松開，繼電器應(yīng)吸合（或釋放），再短路一下松開，繼電器應(yīng)釋放（或吸合），如果繼電器無反應(yīng)，請檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。方案四單穩(wěn)式超聲波接收電路本電路超聲波換能器R40-16諧振頻率為40kHZ，經(jīng)R40-16選頻后，將40kHZ的有用信號(hào)（發(fā)射機(jī)信號(hào)）送入VT1至VT3組成的高通放大器放大，經(jīng)C5、VD1檢出直流分量，控制VT4和VT5組成的電子開關(guān)帶動(dòng)繼電器K工作。由于該電路僅作單路信號(hào)放大，當(dāng)發(fā)射機(jī)每發(fā)射一次超聲波信號(hào)時(shí)接收機(jī)的繼電器吸合一次（吸合時(shí)間同發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)時(shí)間相同），無記憶保持功能。

可用作無線遙控?cái)z像機(jī)快門控制、兒童玩具控制、窗簾控制等。電路中VT1p3200，VT23150，其他元件自定。本電路不需要調(diào)試即可工作。如果靈敏度和抗干擾不夠，可檢查三極管的F值與電容C4的容量是否偏差太大。經(jīng)檢測，配合相應(yīng)的發(fā)射機(jī)，遙控距離可達(dá)8m以上，在室內(nèi)因墻壁反射，故沒有方向性。電路工作電壓3V，靜態(tài)電流小于10mA。方案五VD2R5100K401C1+L〒R710KJKQCFCD4072SR宿速入阻抗放大器，能夠很快地與超聲波接收器件B相匹配，可獲得較高接收靈敏度及選頻特性。VT1采用自給偏壓方式，改變R3的阻值即可改變VT1的工作點(diǎn)，超聲波接收器件B將接收到的超聲波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)VT1和VT2兩極放大后，再經(jīng)VD1和VD2進(jìn)行半波整流為直流信號(hào)，由C3積分后作用于VT3的基極，使VT3由截止變?yōu)閷?dǎo)通，其集電極輸出負(fù)脈沖，觸發(fā)器JK觸發(fā)D，使其翻轉(zhuǎn)。VD2R5100K401C1+L〒R710KJKQCFCD4072SR宿速入阻抗放大器，盲區(qū)形成的原因及處理1、探頭的余震及方向角。發(fā)射頭工作完后還會(huì)繼續(xù)震一會(huì)，這是物理效應(yīng)，也就是余震。余震波會(huì)通過殼體和周圍的空氣，直接到達(dá)接收頭、干擾了檢測；通常的測距設(shè)計(jì)里，發(fā)射頭和接收頭的距離很近，在這么短的距離里超聲波的檢測角度是很大的，可達(dá)180度。2、殼體的余震。就像敲鐘一樣，能量仍來自發(fā)射頭。發(fā)射結(jié)束后，殼體的余震會(huì)直接傳導(dǎo)到接收頭，這個(gè)時(shí)間很短，但已形成了干擾。（注：不同的環(huán)境、溫度對殼體的硬度和外形會(huì)有所變化，導(dǎo)致余震時(shí)間會(huì)略有改變）3、電路串?dāng)_。超聲波發(fā)射時(shí)的瞬間電流很大，瞬間這么大的電流會(huì)對電源有一定影響，并干擾接收電路。通常這三種情況情況在每次超聲波發(fā)射時(shí)都會(huì)出現(xiàn)，即超聲波在發(fā)射的時(shí)候，是一個(gè)高壓脈沖，并且脈沖結(jié)束后，換能器會(huì)有一個(gè)比較長時(shí)間的余震，這些信號(hào)根據(jù)不同的換能器時(shí)間會(huì)有不同，從幾百個(gè)uS到幾個(gè)mS都有可能,因此在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，聲波的回波信號(hào)是沒有辦法跟發(fā)射信號(hào)區(qū)分的.因此,被測物體在這個(gè)范圍內(nèi)，回波和發(fā)射波區(qū)分不開，也就無法測距，從而