超声波液位传感器
课程：矿用传感器与自动检测
题目：超声波位移传感器的研究设计
1 绪论
超声波检测技术是一种典型的非接触测量方式,它基于电子学、材料学、物理学等,应用非常广泛。作为波的一种,超声波具有波的所有性质。超声波检测是通过超声波产生、在介质中传播及接收超声波回波的物理过程来实现的。超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。在空气介质中,光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体几乎对超声波测距传感器的性能没有影响,而且超声波测距传感器价格低廉、使用方便。因此,在液位测量、工业自动控制、建筑工程测量、移动机器人视觉识别、汽车倒车防撞系统等许多领域,都得到了非常广泛的应用。
2 超声波测距的基本理论
声波是一种机械波,它可以在气体、液体和固体等介质中传播。超声波是指频率高于20KHZ,在弹性介质中传播的一种机械振荡。正常人的听觉可以听到20赫兹(Hz)～20千赫兹(kHz)的声波,低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波,超过20千赫兹的声波称为超声波。超声波是声波大家族中的一员,和可闻声本质上是一致的,它们的共同点都是一种机械振动,通常以纵波的方式在弹性介质内传播,是一种能量和动量的传播形式,其不同点是超声频率高,波长短,在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。
2.1 介质的超声波传播特性
(1)声速
如果忽略空气中的水蒸气和其他杂物的影响,超声波在常温下的传播速度是340m/S,空气中温度、湿度、压强等因素对超声波传播速度产生一定的影响,其中以温度的影响为大。一般情况下,温度每升高1℃,声速增加约为0.6m/s。波速随温度的变化情况如下表1所示:
表1 波速随温度的变化表格
-30 -20 -10 0 10 20 30 100 温度
(℃)
313 319 325 323 338 344 349 386 波速
m/s
空气中的声波传播速度可近似地表示为:
c T
+
=
331
?
4
.
/
1
273
4
≈
.
+
331
.
（
）
s
/
T
m
607
式中,T为环境温度（℃）。
(2)声衰减
声音衰减指的是声波在介质中传播时,因波束发散、吸收、反射、散射等原因,使声能在传播中减少的现象。引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收。
在平面波的情况下,距离声源X处的声压P和声强I的衰减规律为:
x
P-?
=e
P
x
e
=2
I
I?-
其中，——声源x=0处的声压
——声源x=0处的声强
——系数，NP/cm (奈培/厘米)。
2.2 超声波换能器
换能器(探头)是一种实现物理能量相互转换的器件,超声波探头可以将电能转换为声能,也可以将声能转换为电能。实现能量的转换,所以,超声探头又称为超声波换能器,它既可以用来发射超声波,也可以用来接收,是超声波测距系统中的关键部件。超声波换能器主要包括机械式超声波换能器、电动式超声波换能器和电声式超声波换能器三种。其中,电声式超声波传感器主要材料有压电晶体(电
致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。根据不同的设计,超声波换能器的形状主要有柱型(前后金属盖板直径相同)、喇叭型(前盖板直径通过弧型过度缩小)、柱型中间有节等结构形状。
压电换能器是一种电声换能器,它是基于某些晶体的压电效应和逆压电效应来实现电与声能量转换的。压电式超声波传感器主要由压电晶片组成,压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转换声能,同时它接收到超声波时,也可以将声能转换成电能。压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振来工作的。某些单晶材料的结构具有非对称特性,当这些材料受到外加应力作用而产生应变时,其内部晶格结构的变化(形变)会破坏原来宏观表现为电中性的状态,产生极化电场(电极化),所产生的电场(电极化强度)与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应,它是由居里兄弟于1880年发现的。随后,在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应,即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时,会有应力和应变产生,其应变与外电场的大小成正比。实验表明,在一定限度内的压电效应与逆压电效应是线性的。这就是说,在压电效应时,压电晶体表面电荷密度与应变的大小成正比,当应变改变符号时,电荷也改变符号,在逆压电效应时,压电晶体在外电场作用下应变的大小与电场强度成正比,当电场反向时,应变也反向。压电式换能器是利用某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应来将电能与声能进行相互转换的器件。因其电声效率高、功率容量大以及结构和形状可以根据不同的应用分别进行设计,在功率超声领域应用广泛。
超声波压电换能器分为单探头和双探头两种方式。单探头方式指的是超声波换能器既用来发射超声波又用来接收超声波的回波信号,即探头同时用于发射与接收。在单探头工作方式下,当发射超声波时,需要对探头施加十几伏、几十伏甚至是上百伏的电压,使探头产生机械振动,这种机械振动通过压电晶片的振动,将机械能转换为声能,激发出超声波。当开始接收超声波时,发射超声波而产生的余震不会立刻消失,发射信号的幅值相对于回波信号的幅值更加明显,使得接收端误将这种震动产生的波当成是回波而产生测量的失误,影响测量的准确性。常规的做法是停止发射后,延迟一段时间,将这段余震的时间避开再开始接收回波,这就导致了盲区的产生。双探头的工作方式是指发射超声波和接收超声波使用两个
不同的探头。从单探头盲区产生的这种层面上来分析,采用双探头的工作方式可以彻底消除盲区,并且可以增大测量的距离。但是,在实际应用中,由于发射探头和接收探头间的距离很小,并且声波有衍射的特性,超声波发射探头发出的波可能不经过障碍物的反射,而直接绕道到接收探头上,造成了误报,因此,实际上盲区仍然是存在的。
压电换能器是超声波液位传感器的敏感元件,它利用压电效应与逆压电效应完成电能与机械能(声波振动)的转换。选择合适的压电换能器是制作超声波仪器仪表的首要工作,需要考虑以下参数:压电换能器的耐压值、波束角、谐振频率、盲区、回波灵敏度。
2.3超声波测距原理
超声波测距的方法有几种,相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法测量精度高,但检测范围有限；声波幅值检测法更易受到反射介质的影响；渡越时间检测法实现起来简单,成本低,可测距离范围较大。渡越时间法在短距离范围内会有一定的盲区。经过比较与分析,本文采用渡越时间法作为超声测距方法。
渡越时间法超声波测距,原理是测量出超声波从发射到经过障碍物反射的回波到达发射探头的时间,实际上是测量时间。
将超声波液位计安装于被测面上方，在单片机的控制下，探头向被测面发射一束超声波脉冲，声波在被测面表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到重新接收，其时间与探头至被测面的距离成正比。设超声波从发出到遇被测面返回经历的时间为t,可由单片机定时器测出，即可得到液位超声波换能器把液位高度转换成4至20mA电流信号、1至5V电压信号输入单片机，由于温度对声速具有极大的影响，所以本设计采用DS18B20芯片测量环境温度，以修正声速。
3 超声波测距的总体方案设计
3.1超声波测距误差来源的分析
针对本课题所研究的高精度超声波测距系统,误差来源主要有:
(1)启动发射和启动计时之间的偏差;
(2)收到回波到回波被检测出的滞后;
(3)收到中断到中断响应停止计时之间的滞后;
(4)计时器本身的误差;
(5)温度、压力、湿度对声速的影响。
大致为上述五个来源,逐一分析如下:
第(1)项偏差源于单片机一次只能处理一件事,所以启动发射和启动计时实际上是先后完成的,存在时差,但只要指令速度足够快,其偏差可以忽略,即使需要弥补,也有可能。
第(2)项误差源于检测电路的灵敏度和判断偏差,从收到实际回波到电路确认并输出相应信号肯定存在滞后,这和检测电路原理、回波信号强弱以及判断电路的敏感性相关,准确检测回波到达时刻是超声波测距的核心。因为如果灵敏度过高,则会将一些干扰信号误作为回波,导致测量出错,如果过低,又大大限制了检测距离,因为回波衰减是距离的平方关系。这部分误差是导致数据不稳定的主要来源,因为判断滞后会随着回波的强弱而变化。
第(3)项误差源于单片机的中断机制,收到中断信号后,单片机不可能立刻响应,至少要完成当前的指令,有时还要等待其它中断服务结束,所以这个滞后时间也不确定,从而导致测量结果的变化。但这个因素可以通过提高单片机速度,使用高优先级中断弱化之。
第(4)项误差源于计时器本身,由于目前多数使用晶体振荡器,其稳定度和准确度为20～50PPM级别,对于音速而言,其带来的误差在mm级(25us对应340m/s 的音速)。为减小此项误差,应该提高计时的最小单位,从而降低量化误差,同时选用质量好的晶振。
第(5)项误差是源于环境的影响,由于温度、压力、湿度不同,音速会变化,计时的频率会变化,检测电路的灵敏度也会变化,所以比较复杂,但后两个变化似
乎只能忽略,好在其影响量有限,通常可以借助温度补偿电路修正音速变化。
3.2 系统的总体设计思想
3.3 超声波测距系统的硬件设计
3.3.1单片机电路的设计
由于P89LPC936单片机集成了看门狗、CCU 比较单元、模拟比较器、A/D 转换器等部件，因此简化了电路的设计，同时也节省了成本。
单片机采用+3V 供电，由稳压芯片HT7130提供，使用2.4576MHz 的晶振，每一个机器周期大约为0.8us 。单片机的复位方式选择内部上电复位的方式，在选择内部复位时，Pl.5引脚仅作为一个输入引脚，接上拉电阻R9，在软件编写时配置UCFG1.6的RPE 位为0，即可使用内部上电复位。
下图3.1是P89LPC936单片机电路图。
图3.1 单片机最小系统原理图 3.3.2超声波发射电路
超声波测距系统发射电路是由超声波激励电路和超声波换能器(探头)组成的。超声波换能器是用来发射与接收超声波的器件,是组成超声波测距系统的最重要的组成部分,其性能指标直接影响到发射和接收超声波的特性,对超声波测距能力起到决定性的作用。激励电路的作用是用来激励超声波换能器,将一定形式的电压激励信号加到换能器上,换能器的压电晶片将电能量转换成超声信号。因此,激励信号也直接影响超声信号的特性。 超
声
波
换
能超声波收
发单片机电路
M-BUS 通
信
测温电路
图3.2 超声波发射电路
3.3.3超声波接收电路
超声波接收电路的作用就是用来捕捉超声波回波信号,接收系统由两部分组成:其一是信号调理部分;其二是信号采集部分。超声波传感器将超声回波信号转变成电脉冲信号,但是单片机无法直接采集该信号,因为超声波在传播传播过程中以及经不同介质的障碍物反射会有一定的损耗,回波信号幅值随着障碍物距离的增大而减小,因此在信号进入单片之前需要进行放大有效信号,滤除噪声和干扰,以达到最大的信噪比,从而能够得到准确的信息,最后经过比较整形后进入单片机。
本文设计的超声波目标测距量程是3cm～1m,因此在回波信号的处理过程中要兼顾不同距离反射回来的不同幅值的回波信号，尽量的放大回波信号。本文采用TL084CD芯片对回波信号进行四级放大,然后经放大器输出的信号在进行整形滤波。
设计超声波接收电路时，压电换能器等效成电荷或者电压等效电路。电压等效电路适合高频测量,考虑压电换能器的绝缘电阻R,以及电缆电容C,压电换能器电压等效电路如图3.3所示。
图3.3 压电换能器的电压等效电路
3.3.4回波接收及滤波放大电路
超声波在传播的过程中回波信号随着距离的增大会减小,本文使用TL084CD 芯片来放大信号,TL084CD是一款四输入运放、高性能、低噪声的运算放大器,具有相当高的转换率，低输入偏置和偏置电流，低失调电压温度系数。
回波接收及滤波放大电路如图3.4所示:
图3.4 回波接收及滤波放大电路
4 总结
本文介绍了超声波的类型和介质的超声波传播特性,超声波传感器的类型以及工作方式,介绍了使用渡越时间法测距的原理，分析了使用单探头收发传感和双探头传感器两种方式的优缺点,描述了系统的总体设计，根据超声波测距的原理及系统设计的思想和原则,介绍了超声波测距系统的硬件电路设计,着重介绍了单片机的选型及电路，超声波发射电路，超声波接收电路,包括滤波放大电路。
参考文献
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超声波测距传感器(硬件件篇)
自制一个由你掌控的 —— 超声波测距传感器（硬件篇） 一、背景 四年多前，我曾尝试自己制作一个超声波测距传感器。 当时是想为 LEGO 的 RCX 配套，因为我是Semia 的技术支持，那时RCX 还没有配置任何测距传感器。由于可查阅的资料有限，且不详细，最后以失败告终 /（也许在网络搜索上我属于“菜鸟”）。 为了达到目的，只好选用了 Sharp 公司的 GP2D12。但自制超声波测距传感器的愿望一直没被遗忘。一是觉得超声波用于测距从原理上讲应该效果不错（GP2D12的测距范围太小，只有 10 — 80 cm）；二是市售成品不够灵活，为了适应它还得做转换接口，费力耗财。 前段时间协助一个单位搞项目，涉及到超声波测距；有幸的是解剖了一款进口的超声波测距传感器 —— SensComp公司的6500，使我对相关原理和技术有了比较透彻的了解。 本想项目结束后立刻动手设计一个自己的传感器，后因忙于“圆梦小车”耽搁了。 现在圆梦小车已初具雏形，可以腾出一点时间，而且小车也需要一些传感器与之配套，便着手实现了这个夙愿。
基于嵌入之梦工作室的宗旨 —— 为学习单片机的大学生服务，将设计和制作的细节与大家分享，希望能有助于读者做出属于你自己的超声波传感器，也让和我有类似想法的人不至于再次失望于网络。 二、需求分析 ?能在测距范围上弥补 GP2D12 的不足，将距离延伸到 80cm以外； ?可以提供给大学生和爱好者 DIY，具有学习功能； ?方便自己随时修改程序，使学习的作用得以充分发挥； ?成品具有一定的使用价值，可方便的应用于小车等需要测距的装置上。 三、概要设计 总体设计参照 SensComp公司（https://www.360docs.net/doc/581991776.html,）6500测距模块，其核心是两片专用的超声波测距IC：TL851和TL852。 TL852是一片专门设计用于超声波接收、放大、检测的芯片，集成了可变增益、选频放大器，可通过四根控制线变换11级增益，对于检测超声波信号十分有效。 TL851 与TL852 配套，它可实现超声波发射及控制TL852的增益变换，通过定时控制增益，使TL852的增益与回波时间相匹配，一方面提高了检测的灵敏度，同时减小了干扰。 如果不能随时间变换增益，为增加检测距离，就需要加大灵敏度；而开始时灵敏度就很高，无疑会收到一些不想要的信号。（6500测距模块的相关资料及芯片资料见附件） 解剖此模块时，对TL852的功能十分感兴趣，当初我制作时就是“栽”在这个环节；而TL851的功能基本属数字控制范畴，输出还需要配合单片机才能得到结果，接口也不是十分灵活，笔者认为完全可以用单片机替代。 所以，本次设计的主要改变就是用单片机替换6500模块的TL851。 单片机还是选用圆梦小车所用的STC12系列，一是考虑是51兼容，符合国内多数教材；二是下载程序方便。此次选用的是 STC12LE4052（4K FlashROM，256 RAM）。考虑体积因素，选择了SOP20封装。
超声波传感器的使用注意事项
探测范围和大小 要探测的物体大小直接影响超声波传感器的检测范围。传感器必须探测到一定声级的声音才可以进行输出。大部件能将大部分声音反射给超声波传感器，这样传感器即可在其最远传感距离检测到此部件。小部件仅能反射较少的一部分声音，从而导致传感范围大大缩小。 探测物体的特点 使用超声波传感器探测的理想物体应体积大、平整且密度高，并与变换器正面垂直。最难探测的物体是体积小且由吸音材料制成的物体，或者与变换器呈一定角度的物体。 如果液面静止且与传感器表面垂直，探测液体就很容易。如果液面波动大，可延长传感器的响应时间，从而取波动变化的平均值以获得更一致的读数。但是，超声波传感器还不能精确探测表面为泡沫状的液体，因为泡沫会使声音的传播方向发生偏离。这时可以使用超声波传感器的反向超声模式，探测形状不规则的物体。在反向超声模式下，超声波传感器会探测一个平整背景，如墙壁。任何穿过传感器和墙壁之间的物体都会阻断声波。传感器即可通过探测该干扰来识别物体的存在。 温度导致的衰减 传感器还设计了温度补偿功能，以调节环境温度的缓慢改变。但是，它不能调节温度梯度或环境温度的快速变化。 周围是否有振动 无论是传感器本身的振动还是附近机器的振动，都可能会影响测量距离时的精确度。可在安装传感器时用橡胶防振装置来减少这类问题。有时也可使用导轨来消除或降低部件振动。 环境导致的误测 附近的物体可能会反射声波。要准确探测目标物体，必须降低或消除附近声音反射表面的影响。为了避免误测附近物体，许多超声波传感器都装有LED指示灯，用于在安装时指示操作人员，以确保正确安装传感器并降低误测风险。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有 10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路
超声波传感器工作原理及在测量中的应用
超声波传感器工作原理及在测量中的应用 [摘要] 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 [关键字]：结构、工作原理超声波流量测量超声波探伤总结 [正文]： 1.超声波传感器结构、工作原理 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装臵就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
液位传感器常用的检测方法
为了选择最佳的液位传感器，我们不但需要了解被测液体的属性和状态，同时，也要知道不同的检测方式的优点与局限性，从而才能选出最合适的传感器。以下为目前市场上最常见的检测技术。 激光测量：激光类传感器基于光学检测原理，通过物体表面反射光线至接收器进行检测，其光斑较小且集中，易于安装、校准，灵活性好，可应用于散料或液位的连续或者限位报警等;但其不适合应用于透明液体（透明液体容易折射光线，导致光线无法反射至接收器），含泡沫或者蒸汽环境（无法穿透泡沫或者容易受到蒸汽干扰），波动性液体（容易造成误动作），振动环境等。 tdr（时域反射）/ 导波雷达/微波原理测量：其名称在行业内有多种不同的叫法，其具备了激光测量的好处，如：易于安装、校准，灵活性好等，另外其更优于激光检测，如无需重复校准和多功能输出等，其适用于各种含泡沫的液位检测，不受液体颜色影响，甚至可应用于高粘性液体，受外部环境干扰相对小，但其测量高度一般小于6米。 超声波测量：由于其原理为通过检测超声波发送与反射的时间差来计算液位高度，故容易受到超声波传播的能量损耗影响。其亦具备安装容易、灵活性高等特点，通常可安装于高处进行非接触式测量。但当使用于含蒸汽、粉层等环境时，检测距离将会明显缩短，不建议使用在吸波环境，如泡沫等。 音叉振动测量：音叉式测量仅为开关量输出，不能用于连续性监控液体高度。其原理为：当液体或者散料填充两个振动叉时，共振频率改变时，依靠检测频率改变而发出开关信号。其可用于高粘度液体或者固体散料的高度监控，主要为防溢报警、低液位报警等，不提供模拟量输出，另外，多数情况下需要开孔安装于容器侧面。 光电折射式测量：该检测方式通过传感器内部发出光源，光源通过透明树脂全反射至传感器接受器，但遇到液面时，部分光线将折射至液体，从而传感器检测全反射回来光量值的减少来监控液面。该检测方式便宜，安装、调试简单，但仅能应用于透明液体，同时只输出开关量信号。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.360docs.net/doc/581991776.html,/
超声波液位传感器结构及工作原理
超声波液位传感器是一种常用的测量仪器，被广泛的应用于多个行业当中。超声波传感器是一种利用超声波的特性研制而成的传感器，具有测量精准、检测范围广、使用灵活、维护简便等优点。接下来艾驰商城小编主要来为大家介绍一下超声波液位传感器的结构及工作原理，希望可以帮助到大家。 超声波液位传感器的结构 超声波传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声传感器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个传感器的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。 超声波液位传感器的工作原理 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.360docs.net/doc/581991776.html,/
超声波传感器原理及应用
[日期：2007-06-05] 来源：作者：[字体：大中小] 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 超声波传感器原理与应用 2008-04-18 02:40 超声波传感器原理及应用 信息来源：转载https://www.360docs.net/doc/581991776.html,发布时间：2008-01-02字号：小中大 关键字：超声波传感器 1、遥控开关超声波遥控开关可控制家用电器及照明灯。采用 2、液位指示及控制器由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低则信号就小。接收到的信号经BG1、BG2放大，经D1、D2整流成直流电压。当4.7KΩ上的电压超过BG3的导通电压时，有电流流过BG3，电流表有指示，电流大小与液面有关。A点与上图A点相连接。当液位低于设置值时，比较器输出为低电平。BG 不导通，若液位升到规定位置，比较器翻转，输出高电平。BG导通，J吸合，可通过电磁阀将输液开关关闭，以达到控制的目的（高位控制）。 超声波传感器 信息来源：https://www.360docs.net/doc/581991776.html,/ca.htm发布时间：2007-11-27字号：小中大 关键字：超声波传感器传感器压电陶瓷超声传感器超声波距离传感器 超声波传感器的测距系统设计图
信息来源：中国超声波发布时间：2008-03-17字号：小中大 关键字：超声波传感器 安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提，超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了senscomp公司生产的polaroid6500系列超声波距离模块和600系列传感器，微处理器采用了atmel公司的at89c51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。 1、超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20khz的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法tof（timeofflight）[2]。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即 1、硬件电路设计 我们设计的超声波测距系统由polaroid600系列传感器、polaroid6500系列超声波距离模块和at89c51单片机构成。
超声波传感器
超声波传感器的实验报告 一、超声波传感器的定义： 超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 超声波传感器的原理： 二、超声波传感器按其工作原理，可分为 1、压电式 2、磁致伸缩式 3、电磁式 压电式超声波传感器 压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。常用的敏感元件材料主要有压电晶体和压电陶瓷。 根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器（发射探头）和接收器（接收探头）两种，根据结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。 压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。 压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种用途。 典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，底面接地，上面接至引出线。为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片，在压电晶片下粘合一层保护膜。吸收块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收超声波的能量。
基于超声波传感器的液位测量
基于超声波传感器的液位测量 1.摘要 超声波传感器应用广泛，其中液体液位的准确测量是实现生产过程检测和实时控制的重要保障，也是实现安全生产的重要环节。本文主要介绍液位的测量。液体罐内液位测量的方法有很多种，其中超声波传感器由于结构简单、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，所以超声波测量法得到了广泛的应用。2.超声波概要 超声波是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。 3.检测方法选择 从测量范围来说，有的液位计只能测量几十厘米，有的却可达几十米。从测量条件和环境来说，有的非常简单，有的却十分复杂。例如:有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。 按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。非接触型液位测量主要有超声波液位计、微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。 根据以上几种因素得知，超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。超声波在同一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出
超声波传感器
超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功 能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。 组成部分 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 性能指标
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压 超声波传感器 电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： 工作频率 工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 工作温度 由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用 超声波传感器 功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。[1] 灵敏度 主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。 主要应用 超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其
超声波液位计介绍
超声波液位 超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。 目录 基本简介 工作原理 现场条件 产品特点 超声波液位计测量水位的原理以及安装要求 超声波液位计主要技术参数 HD-ALY系列精巧型小盲区超声波液位计 基本简介 QF-8000超声波液位计可采用二线制、三线制或四线制技术，二线制为：供电与信号输出共用;三线制为：供电回路和信号输出回路独立，当采用直流24v供电时，可使用一根3芯电缆线，供电负端和信号输出负端共用一根芯线；四线制为：当采用交流220v供电时，或者当采用直流24v供电，要求供电回路与信号输出回路完全隔离时，应使用一根4芯电缆线。直流或交流供电，具有 4~20mADC，高低位开关量输出。 量程范围：0-50米，多种形式可选，适合各种腐蚀性、化工类场合，精度高，远传信号输出，PLC 系统监控。 工作原理 QF-8000超声波物位计工作原理是由超声波换能器（探头）发出高频脉冲声波遇到被测物位(物料)表面被反射折回反射回波被换能器接收转换成电信号.声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比.声波传输距离S与声速C和声传输时间T的关系可用公式表示:S=C×T/2. 探头部分发射出超声波，然后被液面反射，探头部分
再接收，探头到液(物)面的距离和超声波经过的时间成比例: hb = ct2 即 距离[m] = 时间×声速/2 [m] 声速的温度补偿公式: LU20超声波液位计 环境声速= 331.5 + 0.6×温度 现场条件 1) 环境温度: -10 ~ +60℃（低温情况需特殊说明） 2) 表壳保护等级: IP65 适用于户外安装 3) 适用测量的介质: 适用于大部分液体及粉状颗粒状固体，弱酸，弱碱，强碱，低于40%的强酸。若在强酸应用场合，请与我司联系，应使用防腐探头。 4) 容器压力: 0.7~3 bar 5) 在下面的任何一种情况，要注意： ①有泡沫的液体/固体 ②周围有强电压，强电流，强电磁干扰，尽量避免高电压，高电流及强电磁干扰 ③大风和太阳直晒 ④强震动 超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。 产品特点 多脉冲低电压多点发射发射电路，双平衡抑制噪声多点接收电路（QF-9000系列）：提高仪器可靠性，解决不物位不平整测量不准确的难题，并大大加强抗干扰能力，可在变电站发射塔附近稳定工作 自动功率调整、增益控制、温度补偿。 先进的检测技术，丰富的软件功能适应各种复杂环境。 采用新型的波形计算技术，提高仪表的测量精度。 具有干扰回波的抑止功能保证测量数据的真实。 16位D/A转换，提高电流输出的精度和分辨率。 传感器采用四氟乙烯材料，可用于各种腐蚀性场合。 多种输出形式：可编程继电器输出、高精度4-20mA电流输出、Rs-485数字通信输出分体超声波液位探头
超声波传感器用户手册
超声波测距传感器 [（模拟传感器）主板模拟接口（A2 ~A6）、扩展板模拟接口（A16~A31）、I2C接口（新机器人）] 一、配件说明
二、 原理与功能 超声波测距传感器是模拟传感器。超声波测距传感器利用声音在空气中的传输距离和传输时间成正比的原 理，通过检测不同远近的反射面对超声波反射回去的时间不同来检测障碍物的距离。超声波传感器有一个发射头和一个接收头，安装在同一面上。在有效的检测距离内，发射头发射特定频率的超声波，遇到检测面反射部分超声波，接收头接收返回的超声波，由芯片记录声波的往返时间，并计算出距离值。超声波测距传感器可以通过两种方式将数据传输给主机，模拟接口和I 2C 接口。 三、 应用介绍 3.1 使用说明 老机器人用户请参阅3.1节模拟接口使用方法部分，新机器人用户请参阅3.1.1节模拟接口使用方法和3.1.2节I 2C 接口使用方法两部分。 3.1.1 模拟接口使用方法 使用模拟接口时将三线插头接至主机模拟口。无需设置I 2C 地址，拨码开关前三位无效；可选择短距离模式和长距离模式，见下图所示： 模式选择，使用四位拨码开关的第四位，可选模式为：短距离模式，长距离模式 4下：短距离模式，5cm~200cm ； 4上：长距离模式，30cm~300cm ； 超声波接收头 超声波发射头 四位拨码开关 数据线
I2C接口使用方法 当使用I2C接口时将四线插头接至I2C总线上。需设置I2C地址，见下图所示，模式选择和模拟接口使用方法一致。 地址选择：采用I2C接口，使用四位拨码开关的前三位，可选地址为0xB0，0xB2，0xB4，0xB6，0xB8，0xBA，0xBC，0xBE； 1下2下3下：地址为0xB0； 1下2下3上：地址为0xB2； 1下2上3下：地址为0xB4； 1下2上3上：地址为0xB6； 1上2下3下：地址为0xB8； 1上2下3上：地址为0xBA； 1上2上3下：地址为0xBC； 1上2上3上：地址为0xBE；
超声波传感器选型要点与典型的应用举例
超声波传感器的基本原则 超声波传感器是利用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体，传感器就能接收到返回波。传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离，比较具有代表性的，一个传感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定，无论物体在那一种界限里，传感器都可以检测到。例如：超声波传感器可以安装在一个装液体的池子上，或者是一个装小球的箱子上，向这个容器发出声波，通过接收到返回波的时间长短就能确定这个容器是满的、空的或者是部分满的。 超声波传感器还有使用的是独立的发射器和接收器的型号，当检测缓慢移动的物体，或者需要快速响应或者在潮湿环境中应用时，这种对射示或者叫分离式的超声波传感器就非常适用。在检测透明物体、液体，检测光滑、粗糙和有光泽的，半透明材料的物体表面，和检测不规则物体时，超声波传感器都是首选。超声波传感器不适用的情况有：户外，极热的环境，有压力的容器内，同样不能检测有泡沫的物体。 超声波传感器选型要点： 范围和尺寸:被检测的物体的尺寸大小会影响超声波传感器的最大有效范围，传感器必须探测到一定级别的声波才能被激励输出信号https://www.360docs.net/doc/581991776.html,,一个较大的物体可以将大部分声波反射给传感器，所以传感器可以在它的最大限度内对此物体进行感应,而一个小物体只能反射很少的声波，这样就明显地减小了感应的范围。 被测物:能运用超声波传感器进行检测的最理想的物体应该是大型、平坦、高密度的物体，垂直放置面对着传感器感应面。最难检测的是那些面积非常小,或者是可以吸收声波的材料制作的，比如泡沫塑料,或者是角面对着传感器的。一些比较困难被检测的物体可以先对物体的背景表面进行示教,再对放在传感器和背景之间的物体作出反应。 用于液体测量时需要要液体的表面垂直面对超声波传感器，如果液体的表面非常不平整，那么传感器的响应时间要调的更长一些，它会将这些变化做个平均,可以比较固定的读取。 在Retrosonic模式下使用超声波传感器，使得探测不规则物体也成为可能，在retrosonic模式下,超声波传感器可以先探测一个平整的背景,如一面墙，当任何物体通过传感器和墙之间的时候，就会阻碍声波,传感器感应到了中断，便会意识到出现了物体。 振动:无论是传感器本身还是周围机械的振动，都会影响距离测量的精确度，这时可以考虑采取一些减震措施，例如：用橡胶的抗震设备给传感器做一个底座,可以减少振动，用固定杆也可以消除或者最大程度的减少振动。 衰减:当周围环境温度缓慢变化的时候，有温度补偿的超声波传感器可以做出调整，但是如果温度变化过快，传感器将无法做出调整。 误判:声波可能会被附近的一些物体反射，比如导轨或者固定夹具，为了确保检测的可靠性，必须减少或者
超声波传感器原理
超声波传感器原理 [日期：2007-06-05]来源：作者：[字体：大中小]超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 超声波传感器原理与应用 2008-04-1802:40
polaroid6500系列超声波距离模块的硬件电路如图2所示： tl851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。内部有一个420khz的陶瓷晶振，6500系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前16个周期，陶瓷晶振被8.5分频，形成49.4khz的超声波信号，然后通过三极管q1和变压器t1输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4.5分频，以供单片机定时用。tl852是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，tl852主要提供了放大电路，当tl852接收到4个脉冲信号时，就通过rec 给tl851发送高电平表明超声波已经接收。 2.3at89c51单片机 本系统采用at89c51来实现对polaroid600系列传感器和polaroid6500系列超声波距离模块的控制。单片机通过p1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测int0引脚，当int0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。超声波测距的硬件示意图如图3所示：
3、系统软件设计 系统程序流程图如图4所示： 工作时，微处理器at89c51先把p1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器t0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描int0引脚，如果int0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声
超声波液位传感器简介
超声波液位传感器简介 超声波液位传感器集非接触开关，控制器，变送器三种功能于一身，适用于小型储罐，EchoPod 超声波液位传感器灵活的设计可以应用于综合系统或者替代浮球开关、电导率开关和静压式传感器，也适用于流体控制和化工供料系统的综合应用，超声波液位传感器对于机器，刹车等设备的小储罐的应用也是很好的选择，PVDF的传感器可以适用于泥浆，腐蚀性介质，超声波液位传感器广泛应用于各种常压储罐，过程罐，小型罐和小型容器，泵提升站，废水储槽等。 工作原理及结构组成 超声波液位传感器 原理 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。[1]组成 超声波传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声传感器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个传感器的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。 超声波传感器的主要性能指标 （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声传感器的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。 室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。 特点 超声波液位传感器还有以下特点： □超声波液位传感器的量程为1.25米 □超声波液位传感器DL10 输出4~20mA
超声波传感器单片机课程设计
课程设计报告 题 目 超声波测距系统设计 课 程 名 称 单片机原理及应用 院 部 名 称 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 12电气工程及其自动化（单） 学 生 姓 名 潘成城 学 号 1205202019 课程设计地点 工科楼 C304 课程设计学时 20 指 导 教 师 李国利 金陵科技学院教务处制
目录 一、概述 (3) 1.1课程设计应达到的目的 (4) 1.2 超声波测距系统设计 (4) 二、总体设计方案及说明 (4) 2.1系统总体设计思路 (4) 2.2系统总体设计框图 (5) 三、系统硬件电路设计 (5) 3.1 单片机的最小系统 (6) 3.1.1AT89C51单片机的功能与特点 (6) 3.2系统原理分析 (6) 3.2.1超声波测距原理 (6) 3.3 超声波传感器检测电路 (6) 3.3.1超声波检测电路图 (7) 3.3.2 超声波发生及感应过程 (7) 3.4 超声波测距接收 (7) 3.4.1 HC-SR04模块 (7) 3.4.2 T40、R40超声波传感装置介绍 (7) 3.5 SCM1602显示模块 (9) 四、系统软件部分设计 (11) 4.1 软件流程图 (11) 4.1.1主程序流程图 (11) 4.1.2超声波发生子程序 (11) 4.2 系统源程序 (12) 五、系统仿真过程与结果 (13) 5.1 Proteus仿真软件 (14) 5.2仿真编译过程 (14) 5.3仿真效果图 (15) 六、实物展示 (16)
6.1实物元件与过程 (16) 6.2实物运行与调试 (15) 6.3实物总结 (15) 七、总结 (18) 八、参考文献 (19) 附录，原理图 (20)
超声波传感器在使用中的常见问题及处理方法
超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。 反射问题 如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。其中可能会出现几种误差：三角误差、镜面反射、多次反射。 噪音 虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。 交叉问题 交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。超声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和Y获得，这时Z 和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关传感器产品的选型，报价，采购，参数，图片，批发等信息，请关注艾驰商城https://www.360docs.net/doc/581991776.html,。
超声波传感器简介
超声波传感器 基本介绍 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的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置是声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。 组成部分 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 ①
如何选择适用于接近或距离测量的超声波传感器
如何选择适用于接近或距离测量的超声波传感器 超声波传感器是使用换能器发送和接收超声波脉冲，该超声波脉冲中继有关物体接近度的信息，经反射返回传感器，系统通过测量回波返回传感器的时间，并利用声波在介质中的传播速度计算超声波测量到物体距离的仪器。 因其特性超声波传感器被广泛用于各种非接触场景如接近或距离测量中，然而目前市场上的各种超声波传感器在安装配置、环境密封、电子特征等方面各不相同。特别是在声学上，根据操作频率和辐射模式不同，不难选择最符合特定应用环境和机械要求的传感器，也不难评估不同型号产品电子性能。声学对超声波传感器操作和测量产生了深远影响。本文工采网小编通过介绍超声波传感器的特性和影响因素来解答如何选择适用于接近或距离测量的超声波传感器。
影响超声波传感器操作的一些基本声学参数 1、声速随温度和传输介质(通常是空气) 的组成变化而变化，测量的精度和分辨率有何影响？ 重点：抓住空气中，声速与温度的关系 在回波测距系统中, 测量了超声脉冲发射与返回接收机之间的运行时间。然后使用传输介质(通常是空气) 中的声速计算到目标的距离。测得的目标距离的精度与计算中使用的声速精度成正比。声波的实际速度是声音传播的介质组成和温度的函数，如图1。 空气中的声速随温度的变化由关系[5]:
c(T)：空气中声速与温度函数，单位：英寸/秒；T：大气温度，单位：℃。不同气体介质中的声速与空气组成的关系，同时受化学成分和温度的影响。下表是10°C 的各种气体的声速。 2、声波波长随声速和频率而变化，分辨率、精度、最小目标尺寸以及最小和最大目标距离的影响规律。 重点：声波波长与声速和频率的关系 声波波长随声速和频率的变化而变化，λ= c/f。λ：波长；c：声速；f：频率
超声波传感器原理与应用
超声波传感器原理与应用 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）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在各个行业得到广泛应用。 超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位传感器；反射型用于材料探伤、测厚传感器等。 1、超声波传感器的基本原理 超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。超声波传感器包括三个部分：超声换能器、处理单元和输出级。 首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着超声换能器转入接受状态（相当于一个麦克风），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是，就测量超声波的行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以2，即为反射超声波的物体距离。 把超声波传感器安装在合适的位置，对准被测物变化方向发射超声波，就可测量物体表面与传感器的距离。 2、环境对超声波测量的影响 （1）空气温度的影响 声波行程时间受气温的影响程度为0.17%/K。也就是说40℃时的声速相对于20℃时改变了+3.4%，因此测量距离也会改变约+3.4%。但如果选用的超声波传感器中有温度补偿功能，此影响可忽略不计。 （2）空气湿度的影响 从干燥的空气到饱和湿度的空气中，声速最多增加2%。因此测量距离改变最大也只有2%。实际现场中，空气湿度变化不会如此大，此影响一般小于1%。 （3）空气压力的影响