《论文文献综述超声波测距的基本原理及其发展应用定稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论文文献综述超声波测距的基本原理及其发展应用定稿（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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
2、，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1111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
3、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。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 达到口常使用要求。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
4、度或高 速公路上快速行驶汽车之间的距离。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 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
5、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己经有了广泛的应用。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儿十KHZ.儿十MHZ。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）O 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
6、有衰减。在空气中传播超声波,其频较低,，一 般为儿十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：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C3）穿透能力强。超声波虽然在气体
7、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，超声波能够穿透儿十米的厚度，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。 在空穴朋溃时产生放电和发光现象，这种现象称为空化作用。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。k前，超声技术 的应用己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F51（6171o2. 2
8、.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02）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-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,目前已用于岗代脂肪炷、单环芳香 族化合物和多环芳炷、酚类、氯化炷、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
9、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M收利用、废水处理和纸张在线检测方而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H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
10、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
11、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,洗净毛中儿乎无细小 杂质，洗净毛纤维细度分布更趋集中o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 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
12、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型超声波诊断仪乂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
13、。B型超声波 诊断仪乂称断面显像仪，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型超声显像仪己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而的生理病理状况,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 o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、
14、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应好的导电性,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
15、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;乂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
16、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 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 = vt/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C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，
