無(wú)人機(jī)傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件：超聲傳感器認(rèn)知與測(cè)距實(shí)驗(yàn)

超聲傳感器認(rèn)知與測(cè)距實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目描述超聲傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其它能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）的傳感器。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。本項(xiàng)目擬通過(guò)對(duì)超聲波應(yīng)用案例調(diào)研、超聲傳感器模塊及特性參數(shù)調(diào)研和超聲傳感器模塊測(cè)量物體間距離實(shí)驗(yàn)等工作任務(wù)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)超聲傳感器、掌握超聲波特性和超聲傳感器的基本特性、會(huì)用超聲傳感器模塊測(cè)量物體間距離，并增強(qiáng)學(xué)生的規(guī)范操作、團(tuán)隊(duì)寫(xiě)作意識(shí)。任務(wù)一超聲波認(rèn)知任務(wù)描述

超聲波的波長(zhǎng)較短、衍射小，能夠定向傳播，具有很強(qiáng)的貫穿能力。本任務(wù)通過(guò)對(duì)超聲波應(yīng)用案例的調(diào)研來(lái)掌握超聲波的基本特性。本任務(wù)通過(guò)對(duì)超聲波應(yīng)用案例的調(diào)研來(lái)掌握超聲波的基本特性。任務(wù)實(shí)施1)列舉生活中常見(jiàn)的超聲波應(yīng)用實(shí)例，并說(shuō)明應(yīng)用場(chǎng)景及主要目的。2)查閱資料，收集超聲波應(yīng)用案例，小組總結(jié)匯報(bào)超聲波的應(yīng)用情況。

聲波是發(fā)聲體產(chǎn)生的振動(dòng)在空氣或其他物質(zhì)中的傳播聲波人耳能聽(tīng)到的聲波f=20Hz~20kHz知識(shí)鏈接能夠定向傳播，具有很強(qiáng)的貫穿能力，尤其在液體、固體中的衰減很小，對(duì)不透光的固體能穿透幾十米。超聲波f>20kHz1.超聲波的反射與折射一、超聲波的特性2.超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換縱波可在固體、液體及氣體中傳播，橫波、表面波只能在固體中傳播3.超聲波傳播中的衰減隨著超聲波在介質(zhì)中傳播距離的增加，由于介質(zhì)吸收能量而使超聲波聲壓和聲強(qiáng)有所衰減。聲壓的衰減規(guī)律P=P0e-Ad聲強(qiáng)的衰減規(guī)律I=I0e-2Add為介質(zhì)的厚度；A為介質(zhì)對(duì)超聲波能量的吸收系數(shù)二、超聲波的傳播速度空氣中c=331.5+0.607t液體中固體中t為環(huán)境溫度ρ為介質(zhì)的密度；Bg為絕對(duì)壓縮系數(shù)E為固體的彈性模量；μ為泊松系數(shù)。

超聲傳感器認(rèn)知與測(cè)距實(shí)驗(yàn)任務(wù)二壓電式超聲探頭認(rèn)知任務(wù)描述

以超聲波作為檢測(cè)手段，必須有能產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置，稱為超聲波探頭或超聲波換能器。可根據(jù)其工作原理不同將超聲波換能器分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等類型。本任務(wù)通過(guò)調(diào)研壓電式超聲波傳感器模塊的特性參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電式超聲波探頭的認(rèn)知。任務(wù)實(shí)施1)查閱資料，小組總結(jié)匯報(bào)超聲波傳感器的類型、工作原理等。2)查閱相關(guān)資料，收集超聲波傳感器模塊的類型、性能等資料，填寫(xiě)表4-2。壓電式超聲波探頭的工作原理聲強(qiáng)可達(dá)幾十W/cm2知識(shí)鏈接石英晶體、壓電陶瓷、鈷鈦酸鉛（PZT）等壓電材料壓電材料的固有頻率f與晶體片厚度d有關(guān)，即n=1,2,3…是諧波的級(jí)數(shù)；c是波在壓電材料中的傳播的縱波速度；E是楊氏模量；ρ是壓電晶體的密度。

能產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置

超聲傳感器認(rèn)知與測(cè)距實(shí)驗(yàn)任務(wù)三無(wú)人機(jī)用超聲傳感器認(rèn)知與測(cè)距實(shí)驗(yàn)任務(wù)描述

在近地面，受氣壓、氣溫變化較大的影響，用氣壓高度傳感器檢測(cè)的無(wú)人機(jī)高度誤差過(guò)大，已不能滿足無(wú)人機(jī)安全降落的要求。為了解決這一問(wèn)題，無(wú)人機(jī)常搭載超聲傳感器以精確檢測(cè)無(wú)人機(jī)在近地面的高度，如DJIPhantom4A無(wú)人機(jī)。另外，超聲波傳感器還可用于對(duì)無(wú)人機(jī)周邊的障礙物的檢測(cè)，如北京中科浩電公司生產(chǎn)的E360無(wú)人機(jī)。本任務(wù)旨在通過(guò)超聲波傳感器模塊測(cè)距實(shí)驗(yàn)以達(dá)到對(duì)超聲波傳感器的認(rèn)知。任務(wù)實(shí)施1）實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備HC-SR04超聲波傳感器模塊，UNO單片機(jī)控制電路板，排針，杜邦線，USBAtoB數(shù)據(jù)連接線，Arduino軟件等。2）熟悉傳感器模塊，了解傳感器模塊的特性參數(shù)，了解超聲波傳感器各端口的名稱及功能。3）排針焊接4）硬件連接。HC-SR04模塊端口UNO單片機(jī)端口說(shuō)明VCC5V電源TrigP8發(fā)射端EchoP9接收端GNDGND接地5）測(cè)試程序上傳①②③6）測(cè)距。無(wú)人機(jī)載超聲波傳感器介質(zhì)：空氣知識(shí)鏈接測(cè)量距離：2cm~450cm供電電壓：5VHY-SRF05超聲波模塊感應(yīng)角度：<15°，探測(cè)距離：20-4500mm，探測(cè)精度：3mm+1%，（1）采用IO口Trig觸發(fā)測(cè)距，發(fā)射10μs的高電平信號(hào)；（2）模塊發(fā)出8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；（3）有信號(hào)返回時(shí)，通過(guò)IO口Echo輸出一個(gè)高電平，高電平的持續(xù)時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。超聲波模塊測(cè)距發(fā)射器接收器高度檢測(cè)超聲波傳感器避障超聲波傳感器E360無(wú)人機(jī)搭載的超聲波傳感器大疆Phantom4A搭載的超聲波傳感器兩種基本類型a)反射型b)透射型1.超聲波測(cè)厚知識(shí)拓展一、超聲傳感器的工業(yè)應(yīng)用a）單晶直探頭b）雙晶直探頭c）斜探頭探頭形式超聲傳感器測(cè)量厚度超聲傳感器測(cè)量工件厚度2.超聲波測(cè)量物位脈沖回波式超聲液位測(cè)量超聲波定點(diǎn)式液位計(jì)二、超聲傳感器的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域用途應(yīng)用情況工業(yè)測(cè)量高度、距離無(wú)人機(jī)測(cè)量厚度（金屬與非金屬）板材、管材、可在線測(cè)量金屬材料及部分非金屬材料探傷各種制造業(yè)超聲振動(dòng)切削加工（金屬與非金屬）鐘表業(yè)精密儀表、軸承超聲波清洗零件半導(dǎo)體器件生產(chǎn)超聲波焊接——超聲流量計(jì)化學(xué)、石油、制藥、輕工等超聲液位及料位檢測(cè)及控制污水處理濃度檢測(cè)能制成便攜式硬度計(jì)——溫度計(jì)定向通信定向通信