第11章超聲波傳感器

1、第11章超聲波傳感器及其應(yīng)用隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，各種高新傳感器應(yīng)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(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用也是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷 疾病，它

2、已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)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(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù) 工作者和患者的歡迎。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是， 在該界面就產(chǎn)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(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許 多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀 況。當(dāng)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

3、應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)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(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十M的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位< 液位）監(jiān)測，機器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報警等相關(guān)領(lǐng)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

4、發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機械振動，發(fā)射出超聲波。接收原理是當(dāng)超聲波作用在磁滯材料時，使磁滯材料磁場變化，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)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(chǎn)生超聲波和接收超 聲波的裝置，完成這些功能的裝置習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率變化產(chǎn)生機械變形。另一方面當(dāng)振動 壓電陶瓷時則會產(chǎn)生電荷。禾U用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金 屬片構(gòu)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(dāng)雙壓電晶片元件施加超聲振動時就會產(chǎn)生一個電信號?；谝陨献?/p>

5、用，就可以 用壓電陶瓷制成超聲波傳感器。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(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)換，即在發(fā)射超聲波的時 候?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成機械波發(fā)射；接收時將收到的回波轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波傳感器是應(yīng)用傳感器頭部的壓振陶瓷的振動，產(chǎn)生高頻（人耳聽不見 >聲波來停止感應(yīng)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(yīng)用，一 個傳感器能夠經(jīng)過按鈕的設(shè)定來具有近間隔和遠間隔兩種設(shè)定，無論物體在那一種界線 里，傳感器都能夠檢測到。例如

6、：超聲波傳感器能夠裝置在一個裝液體的池子上，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(dāng)檢測遲緩挪動的物體，或 者需求快速響應(yīng)或者在濕潤環(huán)境中應(yīng)用時，這種對射式或者叫分體式的超聲波傳感器十分 適用。11.1.2 超聲波傳感器的主要性能指標(biāo) 超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)有：1、工作頻率 工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)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 因為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

7、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間不宜過長，如果需要長時間工作， 應(yīng)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(guān)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。11.1.3 超聲波的應(yīng)用領(lǐng)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(zhì)，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(shù)。超聲成像是利用超聲波 呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù) 。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

8、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(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍 應(yīng)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(xué)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(shù)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(shù)，其原理與光波的全息術(shù)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

9、。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(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲 得物的重現(xiàn)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(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，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(xué)反應(yīng)和進行生物學(xué)研究等， 在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應(yīng)用。3基礎(chǔ)研究超聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)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(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可探索 物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支

10、。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(dāng)作連續(xù)介質(zhì)。但對頻率在1012Hz以上的 特超聲波，波長可與固體中的原子間距相比擬，此時必須把固體當(dāng)作是具有空間周期性的點陣結(jié) 構(gòu)。點陣振動的能量是量子化的，稱為聲子 見固體物理學(xué)）。特超聲對固體的作用可歸結(jié)為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準(zhǔn)粒子的相互作用。對固體中特超聲的產(chǎn)生、檢 測和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體一一液態(tài)氦中聲現(xiàn)象的研究構(gòu)成了近代聲學(xué)的新領(lǐng)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

11、一個鋁制的后板。薄片和后 板構(gòu)成了一個電容器，當(dāng)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(chǎn)生頻率為 49.4kHz的超聲波。當(dāng)接收回波時，模塊內(nèi)有一個調(diào)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(chǔ)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。（a）實物圖（b）解剖圖圖10-26500系列超聲波傳感器模塊實物圖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)射和接收于身

12、，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。LCVCCG2INNCG1OUTNCBIASGCAGADJGCBG1INGCCXINGCDGNDRECTL582-4-7-6-S-3-t 2-161 9|_5FILECHOOSCBINHINITBLNKGCAVCCGCBXMITGCCCR1GCDCR2RECGNDTL581GND11-3 6500系列超聲波傳感器模塊的原理圖 圖中TL851是一個經(jīng)濟的數(shù)字12步測距控制集成電路。內(nèi)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 8. 5分頻，形成49

13、. 4KHz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4. 5分頻，以供單片機定時用。TL852是專門為接收超聲波而設(shè)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(dāng)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（INIT之后通過內(nèi)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(nèi)部消隱之前中止接收輸入消隱。這樣就可以檢 測最短

14、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(yīng)。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(yīng)用，開始輸入（INIT的應(yīng)用，傳輸?shù)慕Y(jié)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(nèi)部電路被重置、內(nèi)部振蕩器穩(wěn)定。當(dāng)INIT變?yōu)楦唠娖胶篁?qū)動傳感器 （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

15、 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(nèi)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(nèi)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(yīng)。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(biāo)之間的距離是成比例的。如 果需要，當(dāng)準(zhǔn)備下一次傳輸?shù)臅r候可以返回一個低

16、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(fù)。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(biāo)物相隔3英寸的回波。如果多于一個目標(biāo)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?，消隱輸入 （BLNK必須變成高電平然后再變?yōu)榈碗娖?，以重置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(biāo)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(nèi)部延遲時間。此符合相隔3英寸的兩個目標(biāo)。增益控制和增益調(diào)節(jié)INIT變?yōu)楦唠娖剑粋€周期開

17、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(zhǔn)增益電位器，將探測目標(biāo)放置在希望探測的最遠距離處。旋轉(zhuǎn)增益調(diào)節(jié)”按鈕，順時針旋到底，然后慢慢地順時針旋轉(zhuǎn)增益控制”直到探測出現(xiàn)，再旋轉(zhuǎn)增益控制。注意：為了可靠測量總是調(diào)節(jié)增益控制”到所需的最小增益。過多地增益可能導(dǎo)致目標(biāo)探測的失敗。11226500模塊引腳介紹6500模塊引腳如圖11-4所示。BinkBinhInitOscEchoGNDVCC可編程跳線圖11-46500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(dāng)接收

18、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(nèi)部49,4 kHz晶振器輸出。注意：只 有當(dāng)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(dāng)從低到高變化時初始化一個傳輸/接收周期，目標(biāo)探測期間信號必須保持高電平第6腳BINH輸入：TTL邏輯電平輸入：高電平時可進行多目標(biāo)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(dāng)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?？删幊烫€：跳線安裝后內(nèi)部5 Hz重復(fù)率，消除外部INI

19、T輸入。當(dāng)連接時，內(nèi)部晶振提供INIT信號，此時INIT管腳輸出。增益調(diào)整可改變輸出信號的強弱。11.2.3 6500 模塊技術(shù)參數(shù)1)、工作環(huán)境技術(shù)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、BINH、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400C2)、技術(shù)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、

20、OSC、INIT )Voh = 5.5V100A低電平輸出電壓 Vol<ECHO、OSC、INIT)I ol = 1.6 mA0.4V內(nèi)部消隱期2.38msXMIT驅(qū)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(yīng)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(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超

21、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：匚為聲波在介質(zhì)屮的傳輸速率C-Cq 1 + TZ273 m/sT為絕對溫度系數(shù)，c0=33l.4m/s在測量特度要求不是很稱的情況般認為c為常數(shù) 即 w34O«i/忌超聲波測距的硬件設(shè)計超聲波測距的硬件設(shè)計連接圖如圖11-5所示:圖11-5超聲波測距的硬件設(shè)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(dāng)按下啟動按鈕時，P1.0低電平。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(dāng)INT0<

22、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。因為系統(tǒng)采用12MHz晶振，則機器周期為 1卩s,因此應(yīng)該將卩s換算成s。5、根據(jù)D=Ct/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(qū)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。JSBCSCS程序清單EQU 30HEQU 40HEQU 50HORG 0000HAJMP START ORG 000BH PUSH PSW P

23、USH ACC INC DPTR POP ACC POP PSW RETISTART: MOV SP,#70HMOV TMOD #0AHMOV TH0,#150HMOV TL0,#0150H 清零MOV IE,#82HSTAR0: JB P1.4,$ CLR P1.4 SETB TR0STAR1: JB P3.2,$ CLR TR0 SETB P1.4R0,#BCS;對100卩s進行計數(shù)；設(shè)置堆棧指針;設(shè)置 T0 方式 2 且定時受 INT0 控制;定時100卩sMOV DPTR,#0000H;開中斷;等待鍵盤輸入;有鍵盤輸入，啟動距離測量;定時開始;等待回波;有回波，停止定時;停止距離測量;

24、計數(shù)單元MOV保存定時時間，作為被乘數(shù) MOV R0,DPL INC R0MOV R0,DPHMOV DPTR,#17000;聲速常數(shù) C<340)/2=170 ，定時間以位MOV R0,CS;保存常數(shù)，作為乘數(shù)100卩s為單MOV R0,DPLMOV R0,#CSDOMUL:CLEAR:LP0:MOV R0,DPH；進入多字節(jié)乘法程序MOV R1,#BCSMOV R2,#02HMOV R3,R2MOV R4,#JIMOV A,R1MOV R6,AMOV A,R0MOV R5,AMOV A,R2ADD A,R3MOV 26H,AMOV R7,AMOV A,R4MOV R0,AMOV R0

25、,#00HINC R0DJNZ R7,CLEARMOV A,R4MOV R7,AMOV 27H,R7MOV 20H,R2MOV 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 R1MOV R2,20HDJNZ R2,LP0MOV A,R6MOV R1,AMOV A,R7MOV R7,AINC AMOV R4,AINC R5DJNZ R3,LP0MOV R4,27HMOV R5,26HINC R4MOV R0,R4 ；取運算結(jié)果MOV R2,R0INC R0MOV R3,R0CLR A;將多