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1、1 绪论1.1 超声波技术的广泛应用超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton 首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动 形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能 器。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于超声处理技术中。20 世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成 各种机电换能器。 1917 年，法国物理学家 Paul Langevin 用天然压电石英制成了夹心 式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应 用
2、的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、 电磁力型、静电型等多种超声换能器。材料科学的发展，使得应用广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合 系数高、价格低廉、性能良好的压电瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄 膜（PVDF）1等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接 收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆 赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。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
3、超声波（20kHz以上的机械波）， 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，因而 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。它在很多距离探测应用中有很重要的 用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量2等。超声波方法在某些方面具有突出的优点：（1）超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体（如玻
4、璃、抛光体）；（2）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；（3）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 化和集成化。因此超声检测法己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机 械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。特别是在空气测距中，由于空气中波速 较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分 辨力，因而其准确度也较其它方法高3。1.2 超声波测距的研究背景与意义随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井 深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测
5、量的任务。还有在很多 要时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方 法诞生了非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘 等外界因素的干扰的优点，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，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大围与频率无关。超声 波的这些独特优点越来越受到人们的重视。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控 制，物体气孔大小的检测和机械部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇 航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科 学等领域中也占具
6、重要地位。随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显 得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测 距 4 种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点4：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体（如玻 璃、抛光体）。（2）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。（3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可 靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们 的重视。而我国，关于超声的大规模研究始于 1956
7、 年。迄今，在超声的各个领域都开展 了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。2 超声波测距技术综述2.1 超声波2.1.1 超声波的基本性质 声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动 所产生的机械振动 以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声 波、次声波和超声波，高于 20kHz 的声波称为超声波5。波长这样短的超声波具有类似光线的一些物理性质6,7：（1）超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象， 也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中， 超声波的速度与声波相同；（2）超声波的波
8、长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出 来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因 此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；（3）能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极 窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍（如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的），超 声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器；（4）功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的 分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越 快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率
9、高，故可以给出大的功率。声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s。根据声源在介质 中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有以下几种8：（1）纵波。质点的振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气 体中传播；（2）横波。质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播；（3）表面波。质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播。振幅随深度增加 而迅速衰减的波。从上述分类可看出，只有纵波可以在气体中传播。因此，目前在空气中的超声波 测量系统大多依靠纵波来实现。 而实际测量用的超声波
10、主要集中在频率为 2x 104 kHz2x 106 kHz的围。其中，靠近低频段主要用于空气和液体介质中的测量系 统，中频和高频段主要用于固体介质的测量9,10。这主要是由于介质对声波能量的吸 收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。而在固体介质中， 测量的量程比较短(例如超声波探伤，测工件厚度等)，在液体和气体中，测量的量程 比较长(例如空气中的超声波测距，海洋中测深度等)，因此，气体和液体中测量所选 择的声波频率就要比固体介质中低。2.1.2 超声波的衰减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，超声波会有很大的衰减。由于声波
11、的衰减，使得A(x)随传播距离的变 化而变化。声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律11。A(x)= A e-ox(2.1)0设在距离超声接收器 x 处有被测物，则空气中传播的超声波波动方程描述为：A = A( x)cos( wt + kt)(2.2)=A e -Ox cos(wt + kt)0其中A(x)为超声传感器接收的振幅；A0为超声传感器初始振幅；a为衰减系数；x为超声波传播距离；co为传播角频率；k=2n/九为波数；九为声波波长；t为传播时间。衰减系数o =b - f2。其中b为空气介质常数，f为超声波频率。在空气中，o=3.2x10-4 cm-1 , b=2 x10-1
12、3 s2/cm ，当振动的声波频率 f=40kHz 时，可得o=3.2x10-4 cm-i，它的物理意义在于：超声波在空气媒介中传播，因空气分子运动摩 擦等原因，能量被吸收损耗，在l/o长度上，平面声波的振幅衰减为原来的1/e。由此 可见，超声波频率越高，其衰减越快，传播的距离也越短。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频 率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。权衡这两点，为达到良好的测距效果， 也是选取中心频率为 40kHz 的原因。采用合适的频率和波长，使用超声波传感器测距，频率取得太低，外界杂音干扰 较多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大。并且，超声
13、波传感器在测量过程中容 易产生盲区，接收端易接收到泄漏波。改善这一缺点，须减少发射波串的长度，增高 发射波频率。但发射波串长度过短会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大值；发射波频率过高则衰减大，作用距离下降。有试验表明：使用 40kHz 的超声波，发射脉冲群含有8个16个脉冲，具有较好的传播性能。2.2 超声波传感器超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。这种装 置能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。目前常见的超声波发射和 接收器件的标称频率一般为40kHz，频率取得太低，外界杂音干扰较多，太高在传播 过程中衰减较大。按作用原理不同，超声波传感器可分
14、为压电式、磁致伸缩式、电磁 式等数种，其中压电瓷晶片制成的换能器最为常用13。在原理上利用压电瓷材料在电 能与机械能之间相互转换的功能。其示意图如图 2.1 所示。图 2.1 双压电晶片示意图这种传感器一般采用双压电瓷晶片制成。需用的压电材料较少，价格低廉且非常 适用于气体和液体介质中。在压电瓷片加有大小和方向不断变化的交流电压时，据压 电效应，就会使压电瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是于外加电压 的大小和方向成正比的。也就是说，在压电瓷晶片上加有频率为 f 的电压脉冲，晶片 就会产生同频率的机械振动。这种机械振动推动空气等媒质，便会发出超声波。反之， 如在压电瓷晶片上有超声波作
15、用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电瓷晶 片产生频率与超声波相同的电信号14,15。当在 A， B 间施加交流电压时，若上片的电场方向与极化方向相同，则下面的方 向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。压电瓷晶片有一个固有的谐振频率， 即中心频率fo发射超声波时，加在其上面的交变电压频率要与它的固有谐振频率一 致，接收超声波时，作用在它上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。 这样，超声波传感器才有较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电瓷晶片的 几何尺寸，就可以非常方便地改变其固有谐振频率。超声波传感器结构图如图 2.2 所示。图 2.2 超声波传感器结构图超声波传
16、感器由压电瓷晶片、锥形谐振板、底座、端子、金属壳及金属网构成。 其中，压电瓷晶片是传感器的核心，锥形谐振板是发射和接收超声波的能量集中，并 使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电瓷晶片及锥形谐振板的损 害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声波16。超声测距传感器按其 作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率 在60kHz300kHz之间；中量程探测距离约为2m10m,工作频率在40kHz60kHz 之间；大量程探测距离约为20m50m,工作频率处在16kHz30kHz之间。超声波传感器是超声波测距电路中的重要元件，其性能优劣直接影响到测距准确 度和可靠性。超声波传感器按收发方式可分两类：一类是发射和接收分别是两种不同
