基于单片机的超声波测距系统实现(2)

2) PCB实验板的焊接。 4 系统软件的编写

1) 软件的编写和编译检查； 2) 基于Proteus的软件仿真。 5 样机实验测试 1) 实验检查； 2) 测试数据。

6 误差分析

1）误差的分析； 2）改进。

第二章 超声波测距的原理

2.1 超声波的基本理论

超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使

用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安

全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。

超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。

超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在104——1012Hz，其中通常的频率大约在104——3 10

6

之间。超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，如

果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用：

1 超声波的传播速度

超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波——质点振动方向与传播方向一致的波；表面波——质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。

超声波与气其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。 超声波在气体和液体中，其传播速度CgL=（

式中 ——介质的密度； Ba——绝对压缩系数。

可以推导出超声波在空气种传播速度CG 331.4 0.61 T。（T为环境温度）。 超声波在固体中的传播速度分两种情况： (1)纵波在固体介质中的传播速度 其传播与介质的形状有关。

Cq ()2 （细棒）

E

12

1

1

Ba

）2

E

1

Cq [

(1 )

]2 （薄板）

Cq [

E(1 )

1

K

43G

1

(1 )(1 2 )

]2 (

)2

（无限介质）

式中 E——杨氏模具； ——泊松系数； K——体积弹性模具； G——剪片弹性模。 (2)横波声速公式为 Cq [

E

1

2(1 )

]2 (

G

1

)2

（无限介质）

在固体中， 介于0——5之间，因此一般可视为横波声速为纵波的一半。 2 超声波的物理性质

当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反射；另一部分透射过界面，在相邻的介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，

如图2.1.1所示：

(1) 超声波的反射和折射

当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图2.1.1所示。声波的反射系数和透射系数可以分别由如下两 式求得：

图 2.1.1 声波反射

cos R

cos cos cos

2c2 1c1 2c2 1c1

2 2c2

T

1c1cos

cos

2c2 1c1

式中： , ——分别为声波的入射角和反射角；

1c1, 2c2——分别为两介质的特征阻抗，其中c1,c2为反射波和折射波的速度。反射角、折射角与声速c1,c2满足折射定律关系式：当超声波垂直入射界面时，即 0，则：

sin sin

c1c2

。

1 R

1

2c2 1c1 2c2 1c1

c1c2

2

2c2 1c1 2c2 1c1

T

1

如果sin >，入射波完全被反射，在相邻两个介质中没有折射波。

如果超声波斜入射到两个固体介质面或两粘滞弹性介质面时，一列斜入射的纵波不仅产生反射纵波和折射纵波，而且还产生反射横波和折射横波。

(2)超声波的衰减

超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。

在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律如下：

p p0e Ax I I0e 2Ax 式中：p0,I0——距离声源x=0处的声压和声强； x——超声波与声波间的距离；

A——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。

(3)超声波的干涉

如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。若以两个频率相同，振幅 1和 2不等，波程差为d的两个波干涉为例，该两个波合成振幅为

1 ( 1

2

2 2 1 2cos

2

2 d

1

)2

，其中 为波长。从上式看出，当

2

(n 1,3,5,...)时，合

d=0或d=n （n为整数）时，合成振幅 r达到最大值；当d=n成振幅 r为最小值。当 1 2 时， r 2 cos

d

；当d

2

的奇数倍时，两波相

互抵消合成幅度为0。

由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。 3 超声波对声场产生的作用

(1) 机械作用

超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大。有时足以达到破坏介质的程度。

(2) 空化作用

在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、

闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。

(3) 热学作用

如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。

4 超声波传感器

超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。

压电陶瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。也就是说，若在压电晶片两边加以频率为f0的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当f0落在音频范围内时便会发出声音。反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。

超声波传感器结构如下：

图 2.1.2 元件内部结构 图 2.1.3 超声波外部结构 2.2

超声波测距系统原理

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