文献综述

超声波测距的基本原理及其发展应用

06电子信息工程（1）班 王重

指导教师

摘要：本文提出了在测距系统中，使用软件方法实现超声波功能的原理和设计方法，详细介绍了超声波的基本理论及测距的工作原理。该系统在使用过程中,测量精度高，抗干扰能力强、实时性良好，真正实现了智能化控制。 关键词：单片机，超声波，测距，传感器

1 引言

一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。例如，页面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测页面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。利用超声波测量就可以解决这些问题。

这些年来 ，随着超声波技术研究的不断深入，在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。

利用超声波测量己知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距法。 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上机械波),借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因此人类采用仿真技能利用超声波测距[1]。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。由于超声波指向性好,能力消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常被用于距离的测量,利用超声波检测距离设计比较简单,计算处理也比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。

超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离[2]。

目前，非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。但激光和雷达测距仪造价偏高，不

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利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点：

1、超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离。

2、超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体如玻璃、抛光体。

3、超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。

4、超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。

因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。

2 超声波的概念

人们能听到声音是由于物体振动产生的, 它的频率在20HZ-20KHZ 范围内, 超过20KHZ 称为超声波, 低于20HZ 的称为次声常用的超声波频率为几十KHZ- 几十MHZ[3]。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡, 有两种形式: 横向振荡 (横波) 及纵向振荡( 纵波) 。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声可以在气体、液体及固体中传播, 其传播速度不同。另外, 它也有折和反射现象, 并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波,其频较低, , 一般为几十KHZ, 而在固体、液体中则频率可用得较高。在空中衰减较快, 而在液体及固体中传播, 衰减较小, 传播较远。利用超波的特性, 可做成各种超声传感器, 配上不同的电路, 制成各种超声量仪器及装置, 并在通迅, 医疗家电等各方面得到广泛应用。 2.1 超声波的特点

超声波由于频率高、波长短,在传播过程中具有许多特性[4]:

1) 方向性好。由于超声波的功率高,其波长较同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以超声波的传播方向好。

2) 能量大。超声波在介质中传播时,当振幅相同时,振动频率越高能量越大。因此,它比普通声波具有大得多的能量。

3) 穿透能力强。超声波虽然在气体中衰减很强,但在固体和液体中衰减较弱。在不透明的固体中,超声波能够穿透几十米的厚度,所以超声波在固体和液体中应用较广。

4) 引起空化作用。在液体中传播时,超声波与声波一样是一种疏密的振动波,液体时而受拉时而逐级压,产生近于真空或含少量气体的空穴。在声波压缩阶段,空穴被压缩直至崩溃。在空穴崩溃时产生放电和发光现象,这种现象称为空化作用。

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2.2 超声波的应用

超声技术是一门以物理、电子、机械以及材料为基础的通用技术之一。目前,超声技术的应用已经深入到社会生活的各个领域。超声技术是通过声波的产生、传播及接收的物理过程而完成的,它的应用研究正是结合超声波之独有特性而展开的[5][6][7]。 2.2.1 超声波技术在废水处理中的应用

超声波对废水的处理主要利用空化作用以及由此引发的物理和化学变化。在超声波空化产生的局部高温、高压环境下,水被分解,产生·H 和·OH 自由基(·OH 的氧化能力仅次于元素F) 。另外,溶解在溶液中的空气(N2 和O2) 也可以发生自由基裂解反应,产生 N 和 O 自由基,这些自由基会进一步引发有机分子的断链、自由基的转移和氧化还原反应,从而对废水进行有效的处理。超声技术可用于各种难降解的废水,目前已用于卤代脂肪烃、单环芳香族化合物和多环芳烃、酚类、氯化烃、有机酸和染等有机物,并取得了良好的效果。 2.2.2 超声波技术在造纸工业中的应用

超声技术以其作用力强、作用面宽、对环境无污染的特点在造纸工业中得到了很好的应用,特别在废纸的回收利用、废水处理和纸张在线检测方面显示了广阔的应用前景。研究发现,在纤维预处理过程中,用超声波处理木浆具有与机械打浆、精浆相似的效果,可对纤维细胞壁产生位移、变形以及细纤维化等作用。唐爱民等将超声技术应用于速生材木浆纤维的预处理,实验发现,超声波处理不仅对纤维有机械打浆效应,而且经超声波处理后,纤维的保水值增大,纤维的可及度和反应性能显著提高。刘丽等用超声波技术处理芳纶纤维,研究发现,超声作用可以活化纤维表面,使芳纶表面含氧官能团增加,纤维表面张力中极性分子增加了23. 5 %;研究还发现,超声纤维表面有刻蚀作用,纤维比表面增加了35 % ,大大提高了纤维的层间结合能力。超声波在脱墨和提高纸张性能方面也都取得了令人满意的效果。 2.2.3 超声波技术在生活及服务业中的应用

超声波在生活及服务业中主要用于清洗和消毒。日常生活中,眼镜、首饰都可以用超声波进行清洗,且速度快、无损伤;大型的宾馆、饭店用它清洗餐具,不仅清洗效果好,而且还具有杀灭病毒的作用。这主要是利用了超声波的空化效应。与其他清洗手段相比,超声波具有以下优点:1) 清洗效果优。2) 清洗质量高,清洗效果均匀,一致性好。3) 缩短清洗时间并节能,降低生产成本。4) 降低工人的生产强度,改善劳动条件。5)绿色环保。超声波清洗采用的洗涤剂为低污染型,易于降解。崔运花研究了不同条件下的超声波洗毛效果,并与传统乳化洗毛进行了对比。研究结果表明,利用超声波洗毛可以降低洗毛温度,缩短洗毛时间,降低洗剂和助剂用量。超声波处理后的洗净毛蓬松性好,羊毛之间不发生纠缠,白度高,洗净毛中几乎无细小杂质,洗净毛纤维细度分布更趋集中。虽然长时间超声波洗毛会使羊毛纤维直径变小,断裂伸长增大,但其对纤维断裂强力无明显损伤。目前,国内已有厂家推出超声波洗衣机。此外,超声波洗碗机的专利也已经有人申请。 2.2.4 超声波技术在医学中的应用

自1942 年超声技术应用于医学领域以来,超声检查已逐渐成为诊断领域里非侵入性检

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查的主要方法之一。1955 年美国人莱斯科尔首次利用超声波观测人的心脏,这项技术经不断改进,特别在使用了微信息处理机后更趋于完善。第一台具有CFM 功能的超声诊断仪的问世,促进了医学影像诊断设备的迅猛发展,它标志着诊断超声学从形态学过渡到动力学,使超声诊断设备不仅能获得人体脏器的解剖信息,而且能获得功能信息,提高了医学诊断水平。20 世纪70 年代发展起来的二维B 型超声成像技术极大地扩大了超声影像设备的临床应用范围。现在超声类诊断器种类很多,常见的有A 型超声波诊断仪、B 型超声波诊断仪、超声心动图仪等。A 型超声波诊断仪又称幅度调制型超声仪器,能提供体内器官的一维信息,不能显示整个器官的形状,故常用来测量界面距离和脏器的厚度,如判断视网膜剥离的性质等。B 型超声波诊断仪又称断面显像仪,它能显示的图像具有与人体解剖位置直接对应的特点,十分直观,使用方便,诊断正确率高。近年来,B型超声显像仪已被用于许多脏器的检查。利用超声多普勒效应来测量血流速度的仪器称为多普勒血流仪。由超声发生器发出的超声波通过探头输出进入血管,经血液中红血球的散射回声信号的多普勒频移,可以测量红血球的运动速度,继而得到血流速度。多普勒血流仪可用于了解血液动力学方面的生理病理状况,如心脏运动状况及血管中是否存在栓塞等。超声技术在医学上还可用来治疗疾病[23 ] 。利用强度较低的超声波的热效应、机械效应等对疾病部位进行“加热”和机械刺激称为超声理疗,主要包括超声按摩、超声针灸及超声热疗。利用较强的超声波的剧烈作用来切断、破坏某些组织称为超声手术,主要有超声碎石和超声手术刀。 2.2.5 超声波技术在军事中的应用

超声波在军事中的应用主要运用超声波方向性好的特性。由于超声波基本上是沿直线传播的,可以定向发射,如果渔船载有水下超声波发生器,它旋转着向各个方向发射超声波,当超声波遇到鱼群时会反射回来,渔船探测到反射波就知道的位置了,这种仪器叫声纳。它也可以用来探测水中的暗礁和敌人的潜艇以及测量海水的深度。在现代高科技中,虽然雷达的应用很广,但在水中依然采用落后的声纳技术,这主要是因为海水有良好的导电性,对电磁波的吸收能力很强,雷达无法探测水下作战目标的方位和距离,超声波在空气中衰减较快,而在固体、液体中的衰减却很小,这正好与电磁波相反,在这种情况下,声纳技术可以发挥巨大的威力。由于海水吸热能力太强,使红外线技术无用武之地;又由于水的透光能力差,吸收光能力很强,故光学设备如望远镜也使用不上。因此,声纳技术在特殊领域中占有不可取代的地位。 2.3 超声波测距的基本原理

超声波是指频率在2000赫兹以上，不能引起正常人听觉反映的机械振动波，是物体的机械振动在弹性介质中传播所形成的机械振动声波具有非常短的波长，可以集聚成狭小的发射线束状直线播散，故传播具有一定的方向性。超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单

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片机开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表1 ，根据计时器记录的时间t ，就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即: s = v t / 2 。

3 超声波传感器

3.1 超声波传感器的结构及工作原理

最简单的超声波传感器主要包括超声波换能器、处理单元和输出级三个部分。其工作原理是:当超声波传感器加上工作电压时超声波换能器受到激励以脉冲形式发出超声波, 随后超声波换能器转入接收状态, 同时将接收到的声波转到单元, 由处理单元对超声波脉冲进行分析[8]。处理单元对超声波进行分析时, 首先要检验接收到的超声波信号是否本超声波换能器发出的超声波回声。如果检验结果是本换能器发出的, 就测量声波的行程时间, 然后根据所设定的动作距离,确定物体是否在传感器动作范围之内。如果经处理单元检测, 物体是在传感器设定的范围内, 则激活相应的输出级, 传感器输出级对应的开关点有控制信号输出。反之, 传感器无信号输出[8]。 3.2 传感器的类型及应用

超声波传感器有多种形式。按检测方式分, 有单探头系统反射型探测方式、双头系统反射型探测方式和双探头系统对射型探测方式; 按类型分, 有接收器和处理单元分开型(不带处理器) 及接收器和处理单元集成型(带处理器) ; 按输出形式分, 有模拟量和数字量输出两种形式。超声波传感器可应用于对固态物料、液态物料和粉状物料的检测[9]。对于超声波传感器来说, 能否检测到物料的存在, 关键在于物料表面的物理特性。根据超声波探测学的知识可知, 所有垂直于声波束轴线, 最大粒度为012 mm , 且具有一定大小的平坦光滑的表面, 都能理想地反射声波。所以, 超声波传感器可用于多种物料的检测, 但不能用于对棉花等能够吸收超声波的物料进行检测。超声波传感器的标准产品有多种形式, 安装形式也多种多样。产品的防护等级可达到IP67, 检测距离可达6 m , 而且便于各种地方的安装. 在控制设备中, 料位开关被应用于粮食筒仓、储料斗、储油罐等地方, 为控制系统提供物料是处于高料位状态(满料状态, 不需供料) 还是低料位状态(无料状态, 需要供料) 的控制信号, 用于控制相应的供料设备(如上料皮带机斗轮提升机等) 停止或启动等动作。料位开关在实际应用中, 动作频繁、工作条件恶劣, 安装部位多为粉尘大、物料粘附严重的场合。因而要求料位开关提供的控制信号要求正确、及时、可靠, 否则就会出现物料从筒仓中溢出、筒仓中没有物料而供料设备不能向仓中供料等故障, 严重的还会出现人身伤害事故[9]。 3.3 测距超声波传感器的应用

地面不平整而造成的交通事故很多, 凹凸的路给车辆带来了行驶麻烦, 也带来了安全隐患。因此, 技术人员在这方面研究了不少, 为了有效的减少行驶中的振动, 当前普遍采用的被动式悬挂系统不失为一种有效的方法。为了进一步提高减振效果, 一种新的悬挂系统: 主

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动悬挂系统应运而生, 它能根据路面的情况实时调整减振弹簧与阻尼之间的优化比, 从而达到减振缓冲的目的。该系统主要有传感器件、控制器件和执行器件三部分组成。传感器件将实时探测到的车辆前方路面的信息传输给控制器件的核心部件单片机, 由单片机对信息进行分析处理, 然后对执行器件发出指令, 由执行器件对悬挂系统进行控制, 调整系统参数并产生主动控制力, 从而达到减振目的。主动式悬挂系统是一个复杂的系统, 其中传感器在整个系统中起着至关重要的作用[10]。

4 结束语

超声波技术已经在生活的各个领域得到了应用,作为一种强有力的手段,必将在科学研究以及社会生产等各方面发挥更为重要的作用,尤其在纳米粉体材料的制备上,超声波技术有着其他研究方法无法比拟的优越性。

利用单片机组成的智能超声波测距仪,具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制等特点,使系统的测量精度完全能够达到工业实用的要求,应用领域得扩展,不仅可用于倒车雷达、物体位置测量、测井仪等普通场合,而且也可广泛用在移动机器人的研制上。

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Ultrasonic ranging application of the basic principles of its

development

Abstract: In this paper, in the distance measurement system, using software methods to achieve the principle of ultrasonic features and design methods, described in detail the basic theory and ultrasonic ranging works. The system is in use the process, high accuracy, strong anti-interference, real-time nature of good, truly intelligent control.

Key words: microcontroller, ultrasound, ranging, sensor

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