高精度测量超声波在液体中的传播速度

高精度测量超声波在液体中的传播速度

西安电子科技大学电子工程学院

张海伟朱晓波邱攀

指导教师郭万有

高精度测量超声波在液体中的传播速度

西安电子科技大学电子工程学院

张海伟朱晓波邱攀

摘要

超声检测技术就是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、声衰减、声阻抗等）来获取媒质中的一些非声学信息（如浓度、密度、硬度、弹性、温度等）。已知液体介质的弹性模量和声速后就可以求出液体的密度。超声波的声速应用在对原油含水率的精确检测、非侵入式压力检测、浆体浓度检测等相当多的领域都有广泛的应用。本文正是从上述应用背景出发，研究了一种基于声循环法的超声波测速系统。下图是声循环法测量超声波传播时间的框图：

图1 声循环法测量超声波传播时间的框图

高频脉冲发生器通过发射换能器产生超声波脉冲，在液体中传播一段距离后，被接收换能器接收。经放大，整形和鉴别后重新去触发高频脉冲发生器，产生下一个超声脉冲。这样的过程不断地循环进行，就可以得到一系列脉冲，脉冲的重复周期T基本上等于超声波在液体中传播固定距离L所需的时间。用频率计测量这一脉冲系列的重复频率f或是测量得到周期T，就可以计算出超声波的速度V。假定我们没有进行循环，且设设备的时间测量精度1us,超声波的传播时间是

100us，那么直接测量一次得到的有效值是99us或是101us。但是采用循环法（假定循环1000圈）后，那么该装置测得的实际传播一圈的平均时间应为99.999us 或是100.001us，因此该方法能有效地提高测量的分辨率。同时该方法对元器件要求不高，也就是说容易用低性能的元器件构造高品质的测量电路，因此比较试用于专业仪表的开发，例如牛奶分析仪。

当然，实际上使用该方法所测得的时间周期不仅仅是超声波在液体中的延迟时间，还包括超声波在换能器，耦合层中的时间延迟以及电信号在电路中的时间延迟等等。但是那些都是ns级或是ps级的，对我们的测量结果影响不大。

声循环法测量原理

我们采用如下所示的图来说明测量超声波传播时间方案的原理。在接收信号中，由于接受的的超声波信号是波动信号，为确定时间结束点，这里采用电压比较器，只要设定合适的比较电位，A点表示测量起始时刻，B点表示测量结束时刻，而阀门脉冲是计数器的使能信号，当该信号为高电平时计数器工作在计数状态，若该信号为低电平则计数器停止计数。时钟脉冲是由有源晶振输出的周期性脉冲信号，它是作为时钟信号使用的。

在起始时刻A，发射电路发射一个脉冲信号，发射探头随即产生超声波信号，该信号穿透液体传播到接收探头。在发射超声波的阶跃信号触发发射电路发射超声波的同一时刻，阀门打开，计数使能信号使计数触发到允许状态，计时器开始对时钟信号进行计数。此次发射的超声波信号最终传播到接收探头处并被接收电路接收，在形成对应阶跃信号的B时刻，再次去触发发射电路，新的超声波信号由发射探头发射出来，而计数器的使能信号不变，这样重复前面的过程，整个装置就处于不停“循环”的工作过程中。此装置的测量停止时刻并不是在接收探头接受的的第一个超声波信号产生的脉冲阶跃边沿，而是由预先设定的某个超声波信号产生的脉冲触发使计时停止。这期间，计数器记录的数字脉冲信号总个数并不对应于A时刻到B时刻的时间，而是当计数器起始时刻到停止时刻的时间，假设在测量开始后，到计数器停止时接收电路接受到N个超声波信号，且期间计数器计数的总时钟脉冲数为n,时钟脉冲频率为f,那么超声波信号传播一次的时间即为平均值：

n

t

fN

以上就是声循环法测量的原理。由于可以选用频率比较高、稳定性好的有源晶振作时钟脉冲源，即使得上式中的f值为恒定值，所以只要准确地测定N、n 值就可以比较好地减小随机干扰对测量的影响，这就是循环测量方法比较突出的优点。

图2 声循环法测量时序图

根据声循环法的思想，总结以上是研究工作，可以将基于声循环法的时间测量装置表达为如下所示的结构。

图中的超声波循环模块由超声波发生器和接收电路组成，超声波发生器发射出超声波，通过液体后传播到接收探头处，接收探头接收超声波信号并经过处理后输出激励信号使得超声波发生器再次发射出超声波，模块重复以上过程，则超声波信号处于不断地循环中。计时模块可用于测量计时开始和结束信号之间的时间，只要开始信号对应于超声波发生器发射超声波的时刻，使结束信号对应于接收探头接收到超声波信号的时刻，那么计时器的结果就是超声波传播的时间了。控制单元是保证电路顺利工作的重要结构，它既是实现电路控制，测量结果处理的核心，也是对外的接口，实现显示，与微机通讯，接收操作输入等功能。单片机以其集成度高，功能齐全，编程灵活等优点，成为实现这一功能块的合适选择，而且可编程的优点为设计改进开发提供了平台，在此基础上比较容易实现仪表的智能化、现代化。目前MSP430系列单片机已经成为主流，且加上其低功耗的特性，使得其在便携式设备上的应用越来越广泛。考虑到本设计主要应用于便携式设备上，因此我们采用MSP430单片机。

本项目的设计工作将按上述结构思路展开，进行测量系统的各模块设计。

图3 基于声循环法的超声波传播时间测量方法结构图系统硬件设计制作

1超声波信号发生的实现

根据分块设计的思想，设计中的超声波传播时间测量装置将分为两大功能块，超声波接收发射电路和信号计时电路。超声波主要是由换能器实现发射的，超声波换能器又称为超声波探头，是完成超声波发射和接收的关键器件。所谓换能器就是进行能量转换的器件，超声波换能器能将其它形式的能量转换成高频声能，也可以把超声能量转换成便于测量的能量，超声波发射换能器实现的是前一功能，而接收探头实现的是后者的功能。压电换能器是一种基于某些晶体的压电效应来实现电声能量转换的一种电声换能器。本实验中采用压电换能器。

在实际应用中，一般多是使用持续时间有限的脉冲超声波，由于工程技术的需要，又进一步分其为宽脉冲和窄脉冲。由傅立叶分析可知，一个脉冲可以看做是无限个不同频率的正弦波组成的，一个脉冲持续时间越短，它所包含的谐波频率范围就越宽，频率近乎单一的脉冲可以称为宽脉冲，而窄脉冲是包含较多频率成份的脉冲。相比于宽脉冲，窄脉冲不易发生干涉，信噪比也比较大，而且超声脉冲的持续时间愈短愈利于提高距离探测的分辨率。因此，本实验采用窄脉冲。

用上升沿非常陡的尖脉冲，激励高阻尼探头就可以获得窄脉冲，且激励脉冲前沿愈陡，所产生的超声脉冲就愈窄。超声波压力测量需要得到精确的超声波传播时间变化量，采用脉冲激励易于确定时间边沿。

脉冲的产生常用的方法是开关电路。下图就是一个利用电子开关效应制作的

脉冲发生器。图中，电路工作时电流将通过限流电阻R，对隔直电容C

B

进行充电。这里设置隔直电容而不直接将压电晶片接到电压源上是由于压电晶片长期承受

偏压会被损坏。电路稳定时，隔直电容的电压将被充到V

H

，V。的值根据激发探

头需要情况而定。由于是通过R对电容进行充电，因此时间常数R*C

B

将决定电路的最大可重复频率， S是一个快速的开关，当其接通时，引起一次从隔直电容向换能器及其相连的电负载的电荷转移，此处的电负载是指电阻与调谐电感的组合及换能器等元件。在超声波探头和发射电路之间连有传导线，对脉冲信号有衰减作用，图中用LC网络来表示这种作用。

图5 脉冲发生器结构

开关的电气特性对设备的性能有很大的影响。电子开关的特性可以用如下几

个指标来表征:从截止到完全导通所经历的时间即导通时间t

0,最大峰值电流I

P

，

在通状态的电阻R

O ，在截止状态的最大击穿电压等。导通电阻R

O

将使输入负载的

电流减小，换能器的超声幅度也减小，这就要求高效率的脉冲发生器系统有低的导通电阻，且要用尽可能大的隔直电容，同时开关必须具有大的峰值电流容量.开关型的MOSFET具有很高的工作电压，导通时间比较快，导通电阻也比较低，因此比较适合当作电子开关使用。

综上所述，本设计的超声波脉冲发生器结构如下：图中的IR2110是场效应管驱动芯片，可输出+12V电压，电路采用该芯片的主要目的是使场效应管的导通速度更快。电源经过R1, R4对电容C4充电，IRF740作为电子开关，当其导通时，C4上的电荷迅速转移，因而形成一个脉冲电压信号，该脉冲信号可以激励超声波探头发射超声波. ，图中的SWITCH对应于超声波传播到接收探头后经过转换形成的负向阶跃信号，当EE为1时，超声波的到来将触发74LS00输出高电平，IR2110因此输出+12V电平，于是场效应管导通，超声波发射的进程随即开始。在开始时刻，只要EE输出变为0超声波发生器就开始工作，但是在随后的循环中，须置EE为1，

以便SWITCH 可以对超声波发生器进行触发。电阻R6, R7在电路中起衰减器的作用，使脉冲的拖尾作用减小，这里设置为可调方式。

图6 超声波发生电路

2.超声波信号接收电路

由发射探头发射的超声波经过液体后传播到接收探头，期间由于发生衰减、散射等作用，超声波的能量会有部分衰减，同时传播到超声波接收探头出的超声波也只有一小部分能力传到压电晶片中并转化为电压信号，这是一个mV 级的信号，只有经过放大后才能进一步应用。超声波接收电路的主要作用是将超声波信号加以放大并为后续电路提供稳定地大小合适的电信号，一般地超声波接收电路可以分为放大和滤波两部分，其中其关键作用的是放大器，而滤波电路主要是用于减小超声波信号中的噪声。

通常，压电陶瓷晶片超声波探头的输出阻抗很高，内阻可高达810~1010Ω，静态电容为几千皮法，且输出的电压小，一般为毫伏级，因此超声波前置放大电路的设计必须考虑这些情况。另外，本设计采用的超声波探头频率为40KHz ，因此选用的电路必须有足够的工作频率宽度。目前，电压的放大比较器常用的是由OP 放大器组成的反馈电路。用于电量放大的OP 放大器，还有一些专用的电路如电荷放大器电路等。如下所示的是一个以OP 放大器芯片为核心的适用于超声波前置放大电路的结构示意图。图中R 为匹配电阻；C1为隔直滤波电容，同时起到接收电荷的作用；为保证电路的工作频率，R1、R2须与其配合，使时常数小于400ns ，根据设计要求，这里C1、R1、R2可分别取为1000pF 、110Ω和10K ；R τ为反馈电阻，作为前置放大级，为防止噪声等干扰信号对超声波信号的过度

影响，保证后续电路的性能，该部分电路的放大倍数不宜过大，这里R τ可以设置为2K ，使信号放大20倍左右；R4为补偿电阻，设其值为1//110R R τ≈Ω,可以减小偏置电流对电路的影响。放大器电路的核心是OP 放大器，选择一个合适规格的放大器才能使电路按照要求工作。按照OP 放大器性能来分有如下几类放大器：通用型：低输入偏置、高输入阻抗型，一般偏置电流为0.1pA~50pA,输入阻抗121310~10Ω；低失调电压型，其失调电压一般为50uV~1mV ；低漂移型，该类放大器的漂移值一般在5uV 左右；高速宽带型，用压摆率来衡量，一般在5~70V/us ；低功耗型，其静态功耗在5mW 以下；等效输入噪声小于2uV 的放大器为低噪声型放大器。除了以上的类型之外，还用高输出电流型，高精度型等，其中高精度型综合了各方面的指标，一般各项性能都不错。由于本设计的超声波探头的特性尤其是输出为小信号这一点，这里需要高速宽带且低噪声的OP 放大器。TI 公司在模拟器件制作方面在行业内是比较领先的，旗下的放大器产品种类齐全，应用广泛，销售服务良好且产品资讯的获取非常方便。TI 有多种产品适合上述要求，如高速放大器OPA847,高速低噪声的OPA300,高精度低噪声的OPA228,在这儿我们选用高速低噪声的OPA300。由于前置放大器电路放大的倍数只有20倍左右，因此经过放大之后输出的电压信号仍旧比较小，需要进一步放大。故而我们选用两级放大电路，放大器的选取同上。

图7 超声波前置放大电路

图8 可调放大电路

经过放大电路后，超声波信号变为伏级的波动信号，该信号不可避免的存在诸多的噪声成分，对这类模拟信号，为得到更好的波动信号，通常采用滤波器进行滤波。本设计中将采用双二阶滤波器电路，尽管这种电路采用的运放比较多，但是由于RC元件和运放增益的变化对滤波器特性影响小，该种滤波电路特别适用于高Q值应用，而且具有调整容易的优点。在滤波功能上，为抑制超声波中除40KHz以外的信号，这里采用带通滤波器。其结构示意图如下：

图9 带通滤波器

运算放大器必须保证有足够的带宽，因此我们可以选用OP228。

要使超声波发生装置在确定的时间内发射超声波，最好是以阶跃信号去触发开关，但是这里得到的是连续的波动信号，因此就无法得到一个点可以确定对应的时刻。另外，如果要得到计时的起始停止信号，最好也是得到阶跃信号。因此

首先在电路中需要解决波动信号到阶跃信号的变换问题。

由模拟信号得到对应的阶跃信号，最常用的方法是通过模拟电压比较器比较来实现。模拟电压比较器实际上是一种对微小的差模电压信号进行放大，并按一定的逻辑电平做出快速反应的器件。模拟电压比较器有两个输入端，一端接输入模拟电压，一端接参考电压，该电压可以是与输出有关的电压。一般的比较电平不为零的电压比较器叫做电平检测器，由于信号波动频繁，这里选用的是电平检测器。超声波电压信号由输入端输入，当其电压超过参考电压时，电压检测器输出电压由高电平跃为低电平。经过上述转换过程，超声波电压波动信号就转换为对应的一列负向脉冲。比较电路如下。超声波电压波动信号由WAVE端输入，经过比较器之后，输出为两列脉冲序列W1和W2.

图10 比较电路

比较器将超声波的波动电压信号转换成了一段脉冲序列，要确定一个时刻就必须从中选择某个脉冲边沿作为时间点，选波电路将实现这一功能。

从功能要求上分析，选波电路的输出只能由一个脉冲触发，其余的脉冲不再改变其输出状态，这样的“记忆”功能一般可以用触发门电路实现。下图给出了一个可以实现以上功能的电路。

电路中的清零控制、重置控制、计时启停控制端口均由单片机控制;计时启停信号接到后续的计时电路模块，其输出为1时计数器处于工作状态，为0时计数

器停止计时;由比较器输出的两列脉冲输入脉冲1, 2，作为时钟信号分别输入①号②号JK触发器。其中W2, W1为比较其输出的脉冲序列，RENEW为选波电路的清零控制端口，EI为计时启停闸门控制信号端口，MR为清零端口，STASTO为计时启停信号，SWITCH输入单片机的计数器输入端口T1和外部中断端口INT1管脚，以便单片机判断电路的状态，进行相应的重置以及对循环圈数进行计数。STASTO控制着计时器的工作与停止，是后续模块的接口端。实际应用中使用的芯片是

SN74ALS112。

图11 选波电路

利用超声波在不同介质中传播速度的不同，可以检测出组成此传播媒质的各成分百分比。而我们这里主要是完成速度的高精度测量。

整个硬件电路分为两大模块：信号产生电路和信号接收电路。这两大部分共同构成超声波发生器。

整体设计思想：当单片机一复位，系统开始工作，信号产生电路产生一定频率的信号，到达接收端后对信号进行放大和频率的转换，经改变后的频率通过待测液体到达信号产生端，于是单片机计数器加一，经过上万次的来回，超声波传播的距离已经足够远（因此可以忽略定时器产生的us级误差），同时根据计数器以及单程的距离可以计算出整个传播的路程。然后又根据单片机的计时，测出超声波通过液体时对应的速度。

其应用：根据速度，再用相关的软件，精确测量液体中的超声速度对研究该液体的物理性能、分子结构、声光作用的机理以及声阻抗的测量等都很的意义的。我们就可以推测出液体的相关成分，从而达到检测的目的！例如假酒的检测，牛奶成分分析等等。

一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法

第45卷　第4期厦门大学学报(自然科学版) Vol.45　No.4　2006年7月 Journal of Xiamen University (Nat ural Science ) J ul.2006　 一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法 收稿日期:2005209222 基金项目:国家自然科学基金(D0602240476018),厦门大学科技创 新基金(00502K70013)资助 作者简介:孙牵宇(1982-),男,硕士研究生.3通讯作者:xmxu @https://www.docsj.com/doc/d310330980.html, 孙牵宇,童　峰,许肖梅3 (厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建厦门361005) 摘要:针对移动机器人超声定位中超声收发传感器角度偏向造成的测距精度下降,本文提出了一种基于归一化波形参数 特征修正的超声测距系统.传统的增益控制、可变阈值等抗起伏措施对抑制传播过程中的幅度起伏造成的测距误差效果较好,但如果传感器角度偏向使波形发生畸变,此类方法仍将造成较大误差.本文通过对传感器角度偏向造成接收信号波形畸变及测距精度下降的理论分析及实验研究,建立了超声接收信号归一化波形特征脉宽与前沿变化的关系,设计了基于单片机实现误差校正的大偏向角高精度超声波测距系统.测距实验结果表明本系统显著减小了传感器角度偏向引起的测距误差,在不同的距离上使测距精度平均提高了1.6%,同时具有成本低、使用简单、方便的特点. 关键词:移动机器人定位;超声测距;角度偏向中图分类号:TP 274.53 文献标识码:A 文章编号:043820479(2006)0420513205 由于超声波测距有不受光线影响、结构简单、成本低、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化等优点,因此,广泛应用于移动机器人定位及导航系统[1,2]. 超声测距的精度直接决定了机器人超声波定位的精度性能,目前许多提高超声波测距精度的研究集中在考虑传播过程中幅度起伏造成的误差[3～6],采用增益控制、可变阈值、零交叉点等抗起伏措施保证触发时刻的稳定,实现超声信号飞行时间(TOF ,time of flight )检测精度的提高.上述方法取得精度提高的前提是接收信号的归一化波形保持不变. Lamancus [7]的研究表明,当超声收发传感器轴线存在一定偏角、超声波信号偏向入射时接收信号波形会产生畸变,特别是偏角比较大的时候,如移动机器人定位中在机器人活动范围内当发射与接收传感器处于大偏向角位置时,波形由于信号斜入射而畸变大大降低了传统方法下的测距精度.这个问题严重影响了超声波定位系统在自动导引车高精度停靠等需要高定位精度、大偏角范围场合的应用.如童峰等人研制的机器人超声波导航系统[8],在小偏向角度下(轴线方向上)定位精度为1cm ,在大偏向角度下精度下降为5cm. 本文根据波形畸变理论和实验的分析,针对传感器的发射角和入射角所引起的误差,提出了一种可适用于大角度范围工作条件的处理方法并设计了基于单 片机的系统,实现简单方便.实验结果表明:本系统最终在大角度测距时使测距精度平均提高了1.6%. 1　超声测距系统原理及影响测距精度 的因素 1.1　影响测距精度的因素 除声速变化、噪声等影响因素外,声波在空气介质中声速的变化及散射,衰减的随机不均匀性,引起接收信号在幅度和时间轴上的起伏,是造成测距误差的一个主要原因.图1所示为固定门限电平检测下由幅度起伏引起触发电路的信号前沿不同,产生飞行时间(Time of flight )检测误差,起伏变化越大引起的误差就越大.针对这个问题提出的可变门限[3]、前沿线性前推[4]、零交叉点检测等处理方法,这些方法一个共同的前提就是幅度起伏时,信号的归一化波形基本不变(如图1中实线波形所示),如果波形发生了畸变(如图1　图1　幅度起伏(虚线是畸变波形) 　Fig.1　Amplitude fluctuations (dashed :distorted wave 2 form ) 中虚线波形所示),仍将造成较大的检测误差.

高精度超声波测距系统设计

高精度超声波测距系统设计。 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差， 然后按照下式计算，即可求出距离： 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求， 因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上， 给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播 的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μｓ的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在 1 mm的测量范围内。

超声波传播速度的测量

超声波在固体中传播速度的测量 在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。 【实验目的】 1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。 2、学会用逐差法处理实验数据。 3、熟悉数字示波器等仪器的使用。 【实验原理】 时差法测量原理： 在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。 连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。 图5-5 发射波与接收波 【仪器与器材】 SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（有机玻璃棒、铝棒等）

【实验内容与步骤】 1、时差法测量超声波在固体中传播速度步骤 图5-6 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图 （1）按图5-6接线，将测试方法设置到脉冲波方式将，接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以计时器不跳字为好。 （2）将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用接收换能器的自重与固体棒端面接触。 （3）这时计时器的读数为t i-1，固体棒的长度为L i-1 。移开接收换能器， 将另1根固体棒端面上涂上适量的耦合剂，置于下面一根固体棒之上，并保持 良好接触，再放上接收换能器，这时计时器的读数为t i ，固体棒的长度为L i 。 则声速C i =（L i -L i-1 ）/（t i -t i-1 ）。分别测量超声波在有机玻璃棒、铝棒中的 传播速度，填入表5-3中。 （4）测量超声波在不同固体介质中传播的平均速度时，只要将不同的介质同时置于两换能器之间就可进行测量。 因为固体中声速较高、固体棒的长度有限等原因，测量所得结果仅作参考。 2. 液体介质声速的测量 当使用液体为介质测试声速时，按图6所示进行接线。将测试架向上小心提起，就可对测试槽中注入液体，以把换能器完全浸没为准，注意液面不要过高，以免溢出。选择合适的脉冲波强度，即可进行测试，步骤与4相同。 使用时应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件被腐蚀。使用完毕后，用干燥清洁的抹布将测试架及换能器清洁干净。 【注意事项】 1、使用时，应避免声速测试仪信号源的功率输出端短路。 2、严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将液体（水）滴 到数显尺杆和数显表头上，请用60℃以下的温度将其烘干，即可使用。3、数显尺用后应关闭电源。 【数据处理】 1、列表记录用时差法测量有机棒及金属棒的实验数据。 （1）三根相同长度和材质的待测棒，利用叠加获得不同的长度。 （2）每个长度所测得相对应的时间。

一种高精度超声波测距系统的研制

一种高精度超声波测距系统的研制3 赵海鸣,卜英勇,王纪婵 (中南大学机电工程学院,　湖南长沙　410083) 摘　要:介绍了超声波测距的原理.分析了超声波测距产生误差的主要原因。提出通过温度测量修正超声波传播速度,应用双比较器整形结合软件准确确定回波前沿以提高空气中超声波测距精度的方法。在此基础上,设计了相应的超声波测距系统电路和软件。实验表明,该测距系统测量精度高,电路简单。 关键词:超声波测距;测距精度;回波前沿;系统设计 中图分类号:T B559 文献标识码:A 文章编号:1005-2763(2006)03-0062-04 D evelop m en t of an Ultra son i c D ist ance M ea sure m en t Syste m w ith H i gh Prec isi on Zhao Hai m ing,B u Yinyong,W ang J ichan (College of Mechanical and Electrical Engineering,Central S outh University,Changsha,Hunan410083,China) Abstract:I n this paper,the p rinci p le of ultras onic distance measure ment is described,the main err or s ources of ultras onic distance measure ment are analyzed als o.A method of i m p r oving p recisi on of ultras onic distance measurement in air,in which the trans m issi on s peed of ultras onic wave is corrected by measured air te mperature and the f or ward edge of receive wave can be de2 ter m ined accurately by use of the t w o comparing circuits of ultra2 s onic signal in combinati on with the s oft w are.Based on the ide2 a,the circuit and s oft w are of ultras onic distance measure ment syste m have been designed.Experi m ent indicates that the meas2 uring p recisi on of ultras onic distance measurement system is higher and its circuit is si m p ler. Key W ords:U ltras onic wave distance measure ment,Precisi on of distance measure ment,For ward edge of receive wave,Syste m design 超声波测距是一种非接触式检测方式,在使用中不受光照度、电磁场、被测物色彩等因素的影响,加之其信息处理简单、速度快、成本低,在机器人避障和定位、车辆自动导航、液位测量等方面已经有了广泛的应用。本文介绍一种以89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化的数字显示超声波测距系统的硬件电路和软件设计。 1　超声测距原理 用于距离测量的超声波通常是由压电陶瓷的压电效应产生,这种压电陶瓷传感器有两块压电晶片和一块共振板,当给它的两极加频率等于晶片固有频率的脉冲信号时,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波,超声波经固体表面或液体反射折回,由同一传感器或相邻布置的另一传感器接收,测量超声波整个运行时间t,计算出发射点与反射点的距离s: s=c?t/2(1)式中:c为超声波的传播速度,m/s。超声波在固体中传播速度最快,在气体中传播速度最慢,而且声速受温度影响最大。超声波在空气中的传播速度为: c=331.4×1+T/273(2)式中,T为环境摄氏温度,℃。 超声波从超声传感器发出,在空气中传播,遇到被测物反射后,再传回超声传感器。整个过程,由于吸收衰减和扩散损失,声强随目标距离增大而衰减;同时超声波的衰减随频率增大而成指数增加,但频率越高,指向性越强,这一点有利于距离测量。本文讨论在空气中测量距离,选用40kHz的超声探头。超声传感器接收到的信号的幅值随距离增大而减小,远目标回波信号幅度小、信噪比低,用固定阀值的比较器检测回波,可能导致越过门槛的时刻前后移动,从而影响计时的准确性,这会影响测量的准确度。为了提高超声波测距的精度,需要准确地检测到第一个回波脉冲前沿的到达时间,为此,提出双比较器整形确定回波前沿的方法。 I SS N1005-2763 CN43-1215/T D 矿业研究与开发第26卷第3期 M I N I N G　R&D,Vol.26,No.3 2006年6月 Jun.2006 3收稿日期:2005-08-09 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50474052). 作者简介:赵海鸣(1966-),男,湖南邵阳人,博士研究生,从事机电一体化、设备故障诊断及海洋采矿和微地貌测量与可视化研究.

一种高精度超声测距方法的研究

Study of a N ew U ltrasonic Distance Measurement Method with High Precision W A N G Wensheng,Q I Guangx ue,W EN S huhui,FEN G Bo (Yanshan U niversity,Qinhuangdao Hebei066004P.R.China) Abstract:　A new method for ultrasonic distance measurement based on ultrasonic circulation and multi2pulse e2 cho principle is presented in the paper.The ultrasonic distance measurement system based on the single chip mi2 crocomputer is given.This method can conquer the limitation of pulse2echo times and improve the accuracy of measurement after temperature compensation. K ey w ords:　ultrasonic distance measurement;high precision;temperature compensation 一种高精度超声测距方法的研究① 王文生,齐广学,温淑慧,冯　波 (燕山大学,河北　秦皇岛　066004) 摘要:本文介绍了一种基于超声波循环反射测量原理的高精度超声测距方法,并给出了以单片机为核心的测距系统的组成.本测量法克服了多次反射法中对回波脉冲个数的限制,经温度补偿后测量精度得到了明显改善. 关键词:超声测距;高精度;温度补偿 中图分类号:TB559 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2002)03-0219-03 1　引　言 超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法,和激光、涡流和无线电测距方法相比,具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点,在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力,且结构简单,成本低,因此在工业控制、建筑测量、机器人定位等方面得到了广泛的应用[1,2].但由于超声波传播声时难于精确捕捉,温度对声速的影响等原因,使得超声波测距的精度受到了很大的影响,限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用,为此,本文提出一种改进后的超声反射测距方法,并设计了以单片机为核心的超声测距系统.2　超声波循环反射测量原理 脉冲反射法,又称回波法,是利用超声波在介质中传播遇到声阻抗有差异的界面时产生反射现象来工作的.根据反射次数的不同,可分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法.多次脉冲反射法是目前最常用的一种超声测距方法,它是指一个超声脉冲多次往返于超声探头与被测界面之间,通过检测电路得到各个超声波发射和接收的波形,再由波形整形后得到相当于超声波传播声时的方波信号[3].由此声时和超声波在已知介质中的声速便可以得出距离,超声波探头到被测物体的距离公式为: x= nc 2kf r (1) 2002年9月 传　感　技　术　学　报 第3期 ①来稿日期:2002204215

高精度超声波测距系统设计

高精度超声波测距系统设计 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差，然后按照下式计算，即可求出距离： 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上，给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在1 mm的测量范围内。

实验42 测量超声波在空气中的传播速度

测量超声波在空气中的传播速度 【实验简介】 声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。声波的振动频率在20Hz～20KHz时，可以被人听见；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20KHz的声波称为超声波。对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。本实验分别采用驻波法和相位法测量超声波在空气中的传播速度。 【实验目的】 1. 学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。 2. 深刻理解驻波的特性，以及相位的物理含义。 3. 了解产生和接收超声波的原理。 【预习思考题】 1. 什么是驻波以及驻波的特点是什么？ 2. 什么是共振？如何判断测量系统是否处于共振状态？ 3. 如何确定最佳工作频率？ 4.相位法中比较的相位是哪两个相位？ 【实验仪器】 示波器，声速测试仪，信号发生器。 【实验原理】 1. 声速的测量 声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系： 测出声波波长和声源的振动频率就可以由式（4.2.1）求出声波的传播速度。声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。 1.1 驻波法测声速 驻波法就是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波进行测量的。 由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。改变声

源和刚性反射面之间的距离l ，驻波场中各质点振动的振幅也在发生变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足 2λ n l = （4.2.2） 时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x ，在满足式（4.2.2）的位置上可以观察到驻波共振状态。由式（4.2.2）可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离x ?为2 λ，即 2λ =?x ( 4.2.3) 只要测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离x ?，就可以求出声波的波长，从而由式( 4.2.1 )计算出声速。这种测量声速的方法又称为驻波共振法。 实验中，通过用示波器观测反射端处的振动状态来判断质点是否处于驻波共振状态。 1.2 相位法测声速 相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来进行测量的。 由声源发出的声波在沿其传播方向上，相位差为π的两质点之间的距离为半个波长2λ，因此，只要测出相位差为π的两质点之间的距离d ?，就可由 2λ =?d ( 4.2.4) 计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。 实验中保持声源的位置不变，改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的相位差，记下相位差每变化π时反射面的位置d ，求出相位差变化π时反射面位置的变化d ?。 示波器测两信号的相位差有两种方法：双踪示波法和李萨如图形法，本实验用李萨如图形测两点的相位差。将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上，在示波器上观察到的李萨如图形是一椭圆，当改变反射面的位置时，两信号的相位差发生变化，李萨如图形由椭圆→直线→椭圆→直线发生周期性变化，如图4.2.1所示，其中相邻两次出现直线时反射面位置的变化就是相位差为π时两质点的距离d ?。

毕业设计开题报告—超声波测距

毕业设计(论文)开题报告学生姓名：学号： 所在学院： 专业：通信工程 设计(论文)题目：基于STM32的超声波测距仪 指导教师： 2014年2月25日

开题报告填写要求 1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）； 4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。

毕业设计（论文）开题报告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述： 文献综述 一、课题研究背景、目的和意义 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术主要包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外线传感器、压力传感器等等，其中超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。 超声波测距是一种典型的非接触测量方式。超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。且超声波测距系统结构简单、电路易实现、成本低、速度快，所以在工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等领域应用非常广泛。 超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性、反射、折射、干涉、衍射、散射与物理紧密联系，应用灵活。它是一种指向性强，能量消耗慢的波。它在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，可解决超长度的测量。二、超声波测距仪的整体设计思路 超声波测距一般采用渡越时间法。超声波测距的实质是时间的测量，即：用超声脉冲激励超声探头向外发射超声波，同时接收从被测物体反射回来的超声波（简称回波），通过精确测量从发射超声波至接收回波所经历的射程时间t（渡越时间），按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离S，即 S=12ct 其中，c 为空气介质中声波的传播速度。在常温下，超声波的传播速度为340 m/s，

高精度高重频脉冲激光测距系统

第40卷第8期红外与激光工程2011年8月Vol.40No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2011 高精度高重频脉冲激光测距系统 纪荣祎，赵长明，任学成 (北京理工大学光电学院，北京100081) 摘要：在三维激光扫描探测系统中，激光测距的测量重频和测量精度是影响整个系统性能的关键参数。介绍了三维激光扫描探测系统的工作特点，设计了一种以Nios II嵌入式软处理器为核心的高重频、高精度脉冲激光测距系统。通过分析影响测量重频和测距精度的因素，采用双阈值时刻鉴别方法进行计时起止时刻的鉴别，使用TDC-GP2高精度时间间隔测量芯片进行精密计时，设计了基于Nios II嵌入式软处理器的计时控制系统以提高测量重频。实验结果表明：实现了测量重频为20000次/s、测距精度为3cm的激光测距。与传统的单片机控制的计时系统相比,该系统不仅测量重频和测量精度高，且具有更好的可扩展性和灵活性。 关键词：脉冲激光测距；精密时间测量；三维激光扫描；Nios II 中图分类号：TN247文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)08-1461-04 High precision and high frequency pulse laser ranging system Ji Rongyi,Zhao Changming,Ren Xuecheng (School of Photoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China) Abstract:In three-dimensional(3D)laser scanning detection system,the measurement repetition rate and measurement precision of laser ranging are the key parameters affecting the performance of the whole system.The work characteristics of3D laser scanning detection system were introduced,and a high repetition rate and high measurement precision pulse laser ranging system based on the Nios II soft-core was designed.According to the analysis of the factors which affected the repetition rate and precision of range measure,the double-threshold time discriminator was adopted to produce timing mark for the start-stop time discrimination,and the TDC-GP2high-precision interval measuring chip was used to achieve high precision on time measure.In addition,the time measure control system based on the Nios II soft-core was designed to improve the measurement repetition rate.Experimental results show that the measurement repetition rate of20000/s and the ranging precision of±3cm are https://www.docsj.com/doc/d310330980.html,pared with the traditional MCU time measure control system,the designed system owns the advantages of high repetition rate and high measurement precision,furthermore,it is more expandable and flexible. Key words:pulse laser ranging;high precision time measure;3D laser scanning;Nios II 收稿日期：2010-12-18；修订日期：2011-01-17 基金项目：国防科技工业技术基础科研项目(J172009C001) 作者简介：纪荣祎(1984-)，男，博士生，主要从事三维扫描激光探测系统的研究。Email:xiaoxiao8673@https://www.docsj.com/doc/d310330980.html,。 导师简介：赵长明(1960-)，男，教授，博士生导师，博士，主要从事新型激光器件与技术、光电子信息技术与系统方面的研究工作。 Email:zhaochm1@https://www.docsj.com/doc/d310330980.html,

高精度超声波测距系统设计

高精度超声波测距系统设计 作者：宋永东周美丽白宗文 来源：《现代电子技术》2008年第15期 摘要：提出了一种基于AT89S51单片机的超声波测距系统的设计方案。详细分析了影响测距系统精度的主要因素，设计出了各单元电路和整体电路，重点介绍了提高测量精度的方案和具体实现电路，采用单片机技术进行控制，并给出了控制流程图。设计出的超声波测距系统精度可达毫米数量级，电路具有结构简单、操作方便、精度高、应用广泛的特点。 关键词：测距系统;AT89S51;误差分析;硬件设计;流程图 中图分类号：TP302.1 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1513703 Design of High Precision Ultrasonic Distance Measurement System SONG Yongdong,ZHOU Meili,BAI Zongwen (College of Physics and Electronic Information,Yan′an University,Yan′an,716000,China) Abstract：A plan of ultrasonic distance measurement system based on AT89S51 is derived in this paper， the main factors impact of precision are analyzed in detail and the unit circuit and complete circuit are given.The plan of improving the accuracy and specific circuit is introduced.The system′s accuracy is reached millimeters orders of magnitude.All of the component is controlle by AT89S51,and the control program flow is presented.Circuit have many advantages such as simply structure,easy to use,high accuracy and wide application. Keywords：distance measurement system;AT89S51;error analysis hardware design;program flow 1 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为:超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差，然后按照下式计算，即可求出距离:S=CΔt/2(1) 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上，给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证

测量物体速度的几种方法

1 测量物体速度的几种方法 测量物体速度的方法很多，不仅可以利用电磁打点计时器和电流表，还可以利用多种脉冲信号（如：超声波脉冲、电磁脉冲、光电脉冲或激光扫描信号），还可以利用共振、干涉原理、多普勒效应等九种方法进行测量，现介绍如下. 一、 利用电磁打点计时器或电流表测量物体速度 利用电磁打点计时器测量物体速度是中学物理中最常见的，本文不再介绍；但利用电流表测量物体速度很多同学还比较陌生，现举例说明. 例1 如图1所示，变阻器滑动触头P 与某一运动的物体相连，当P 匀速滑动时，电流表就有一定的示数，从电流表的读数可得运动物体的速度.已知电源电动势E=6V ，内阻r=10Ω,AB 为粗细均匀的电阻丝，阻值R=50Ω，长度L=50cm,电容器的电容C=100F μ.某次测量电流表的读数为I=0.10mA ，方向由M 流向N ，求运动物体的速度v . [解析]由分压原理得AB 两端电压AB U = R E R r +，① AB 单位长度上的电压为AB U U L ?=，② 设t ?（极短）时间内，电容器两极板间电压的变化量和 极板上电荷的变化量分别为Uc ?和Q ?，则 Uc U v t ?=????，③ 图1 Q ?=Uc ?·C ，④ 电容器上充（放）电的电流为Q I t ?= ?.⑤ 解①-⑤得()R r L v I REC +=.⑥ 将已知数据代入⑥得v =0.1m/s.根据题目“电流表中的电流方向由M 流向N ”可知，该过程为电容器充电过程，则物体由B 向A 运动. 从⑥可以看出()R r L v I REC +=∝I ，可见电流表的读数与物体的速度成正比.当电流表用做测速时，它的刻度是均匀的. 二、 利用多种脉冲信号（如：超声波脉冲、电磁脉冲或光电脉冲信号）测量物体速度 1、利用超声波脉冲信号测量物体速度（例如：超声波测速仪、水声测位仪（声纳）） 例2(2001·上海) 如图2所示，图A 是高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号.根据发出和接收的信号间的时间差，测出被测物体的速度.图B 中P 1、P 2是测速仪发出的超声波信号，n 1、n 2分别是P 1、P 2由汽车反射回来的信号.设测速仪匀速扫描，P 1、P 2之间的时间间隔Δt 0=1.0s,超声波在空气中传播速度是v 0=340m/s,若汽车是匀速行驶的，则根据图B 可知，汽车在接收到P 1、P 2两个信号之间的时间内前进的距离是__m,汽车的速度是__m/s.

超声波测距实验报告

电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪

目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)

摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波

超声波测车速练习(供参考)

超声波测车速 1如图（a），停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1 n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设 测速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为0.9秒，超 声波在空气中传播的速度为340米/秒，假设被测汽车沿 直线匀速行驶． （1）图b中每小格表示的时间是s． （2）测速仪第一次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （3）测速仪第二次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （4）汽车的速度是多少m/s？ 2．高速公路上常用超声波测速仪来测量汽车速度。某次检测时，第一次发出信号到接收到超声波返回信号，用时0.4s，如图所示。第二次发出到接收到返回信号用时0.3s，两次发出信号时间间隔是1s。（假设超声波的速度为340m/s，且保持不变）求：（1）题目中被测汽车第一次接收到超声波时，汽车到超声波测速仪的距离S1是多少？（2）被测汽车两次接收到超声波的距离差S3是多少？（3）被测汽车的速度是多大？ 3.如图（a）所示，停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1 n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设测速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为0.9秒，超声波在空气中传播的速度为340米/秒，则被测车的车速为（） A．20米/秒B．25米/秒C．30米/秒D．40米/秒 4．（2013?绍兴）交通部门常用测速仪检测车速。测速原理是测速仪前后两次发出并接受到被测车反射回的超声波信号，再根据两次信号的时间差，测出车速，如图甲。某次测速中，测速仪发出与接收超声波的情况如图乙所示，x表示超声波与测速仪之间的距离。则该被测汽车速度是（假设超声波的速度为340米/秒，且保持不变）（）D A．28.33米/秒B．13.60米/秒C．14.78米/秒D．14.17米/秒 5．测量员是这样利用回声测距离的：他站在峭壁之前某一位置鸣枪，经过1.00s听到回声，已知声速为340m/s，则测量员能测出他与峭壁间的距离为170m．与此类似，如图所示是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪指向车辆发出超声波脉冲信号，并接收经车辆反射的超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度．在某次测速过程中，超声波测速仪对某一汽车共发射两次信号，接收两次信号，

High precision Ranging System高精度超声波测距系统

High-precision Ultrasonic Ranging System Zhang Ping, Guo Hui School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu, 611731, China Email: zhangping3344521@https://www.docsj.com/doc/d310330980.html, Abstra ct – The ultrasound is easy to transmit and has good reflection. Its speed is far less than the speed of flight. So this paper designs an ultrasonic ranging system based on STC89C52RC. This system can be effective in the range of about 372 cm. After repeated test, the measurement error can be less than 1 cm. So this system can be applied to intelligent avoidance and vehicle transportation and other systems. Keywords – SCM; ultrasound; send; receive; ranging, temperature compensation. I.INTRODUCTION At present, the main methods of ultrasonic ranging include pulse-echo method, phase modulation, frequency modulation and FFT-based approach. In these methods, the pulse-echo method has good adaptability; this method not only can be used for manual testing, but also combined with the automated systems. So it is most widely used at home and aboard. Nowadays, the theori e s of microwave and laser ranging have been applied to the ultrasonic ranging system. It can be a very good research. On the other hand, the filtering and analysis of the echo can also draw more and more attention of many experts and scholars. With the enhanced understanding of the ultrasonic theory, we know how to improve the precision and the anti-jamming capabilities will be the most the important performance indicators. In this paper, the pulse-echo theory is used to design the entire system. The following content is mainly divided into three parts. The first section describes the hardware architecture of the system. The second part describes the software processing of the system. The third section describes the techniques of data processing. In such a case, the reader can have a comprehensive understanding of the system. II.THE PRINCIPLE OF ULTRASONIC RANGING SYSTEM Considering the requirement of the actual project, we choose the ultrasound, the frequency of which is 40 kHz. Ultrasonic sensor is this kind device which can converse the sound and the electrical power, also known as ultrasonic transducer or ultrasonic probe. In certain frequency range, it can convert the electrical signal to the external ultrasonic signal or change the external ultrasonic signal to the electrical signal. In this paper, we choose the T/R40-12 piezoelectric ultrasonic transducer. It works at the frequency of 40 kHz. Its external diameter is 12cm. Ultrasonic generator sends the ultrasonic signal at a certain time. After the ultrasonic signal reflected from the measured object, the ultrasonic receiver can receive the signal. As long as we record the time between the sending time and the receiving time, we can calculate the distance from the ultrasonic sender to the measured object. The formula for calculating the distance is: D = S/2 = V ×T /2 (1) D is the distance between the ranging device and the measured object. S is the distance which the ultrasound transports. V is the speed of the ultrasound. T is the time which the ultrasound transports. Because ultrasound is also a kind of sound wave, the speed can be affected by the temperature. So in this paper, it uses the method of temperature compensation to improve the accuracy of the system. III.HARDWARE OF THE SYSTEM The system block diagram of ultrasonic ranging system is fig. 1. The hardware mainly includes the SCM system, the display circuit, the temperature compensation circuit and the circuit of sending and receiving ultrasound. Fig.1 The block diagram of this system A.The circuit of sending ultrasound The schematic of sending ultrasound is the figure 2. The sending circuit mainly includes the inverter and the ultrasonic transducer. At first the port P1.0 of SCM is inverted, connected to one pole of the ultrasonic transducer, and then inverted again, connected to another pole of the ultrasonic transducer. By means of this push-pull method, we can improve the emission intensity of the ultrasound. Paralleling the inverter; we can increase the driving capability of outputting. The pull-up resistor R1 and R2 not only increases the driving capability of outputting the high level, but also increases the damping ___________________________________ 978-1-4244-8160-6/11/$26.00 ?2011 IEEE