基于超声波的黑翅土白蚁地下巢探测系统【字数：12167】
摘 要本文首先介绍了黑翅土白蚁的生命活动，以及在活动过程中产生的危害，列举了寻找白蚁巢的方法和白蚁巢的地表特征；然后分析了现存的白蚁防治设备的工作原理以及普遍存在的缺点，探究了制造新式探测设备以弥补缺点的可能性；整理了利用超声波探测白蚁巢的可行性和难点，规划了利用超声波探测土中目标的系统的电路结构和模块组成；最后设计了适用于均质土表面的超声波耦合装置。
目 录
1. 前言 1
2. 黑翅土白蚁 3
2.1生物学分类 3
2.2生命周期 3
2.3辨识特征 5
2.3.1泥被 5
2.3.2分飞孔 6
2.3.3真菌子实体 7
2.4主要危害 8
2.4.1破坏植被 8
2.4.2危害堤防 8
3. 现有的白蚁巢探测设备 9
3.1二氧化碳查治一体机 9
3.2探地雷达 9
3.3电极阵列 10
4. 成像系统方案对比 12
4.1太赫兹成像 12
4.2地波成像 12
4.3超声波成像 12
5. 超声波成像原理 14
5.1超声波传播特征 14
5.2介质的声学特性 14
5.2.1声阻抗 14
5.2.2衰减系数 14
5.2.3反射系数 15
5.3均一介质中的超声波成像原理 15
6. 超声波耦合装置设计 16
6.1轮式干耦合 16
6.2钻探式湿耦合 18
7. 超声波成像系统方案设计 20
7.1发射模块 20
7.1.1超声换能器 20
7.1.2升压元件 21
7.1.3驱动电路 23
7.1.4隔离电路 23
7.2接收模块 24
7.2.1限幅元件 24
7.2.2滤波电路 24
7.2.3增益电路 25
7.3主控制模块 26
7.3.1微控制器 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
7.3.2时钟电路 26
7.3.3显示电路 27
7.3.4数据存储 28
7.3.5数据通信 29
7.3.6电源 30
总结 31
参考文献 32
致谢 32
前言
大白蚁亚科的土栖培菌白蚁在我国南方地区广泛分布，其中黑翅土白蚁适应力最强，分布范围最广，危害最大。如湖南株洲市，2016年对该市的530座水库堤坝进行检测时，发现有448座存在蚁害，其中284座都由黑翅土白蚁引起。白蚁造成的危害隐患必须得到重视。
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图1.1 株洲市郊区水库挖出的白蚁巢 图1.2 被白蚁剥掉表皮和韧质部的树木
黑翅土白蚁危害如此严重，很大程度上来源于白蚁的顽固性和高复发性。黑翅土白蚁分巢众多，结构复杂，多年巢深度可达7米，根除非常困难。
现行的杀灭白蚁的方法主要有如下几种：
1. 毒饵
毒饵灭白蚁是目前较为常用的方法。将慢性毒药与饵料混合，白蚁取食后回到巢穴中死亡，其它白蚁为了回收蛋白质会吃掉死亡的白蚁，然后也被毒死。市场上常见的“灭蚁灵”即属此类产品。
这种方法操作简单，见效快，但只适合消灭小群白蚁。大群白蚁即使取食毒饵，毒性也会被庞大的数量稀释，达不到效果。另外，为了引诱白蚁取食，毒饵中添加了醋酸，糖，氨基酸等诱食物质，而这些物质对大部分昆虫和鸟类都有引诱效果，容易误伤益虫、益鸟。
2. 杀虫剂
泼洒杀虫剂是非常传统的灭蚁方法。杀虫剂分为两类，趋避性的杀虫剂和非趋避性的杀虫剂。前者往往具有较大的气味，直接杀死白蚁的同时还能在一段时间内阻止白蚁靠近。后者则相反，白蚁难以察觉，也就不会逃离杀伤范围。
与毒饵不同，杀虫剂选用的药物大都是速效的，所以一般在发现大群白蚁后使用。向泥被和白蚁巢喷洒大剂量杀虫剂，即使不能彻底消灭白蚁，也能大幅削减工蚁的数量，减轻防治压力；在要保护的目标上喷洒趋避性杀虫剂，可以立即组织白蚁的破坏，常用于古建筑等高价值目标的保护。
大群白蚁的巢位置非常深，常位于地表以下数米，为此需要播撒大剂量的杀虫剂以保证杀伤效果。这些杀虫剂会在土壤中残留很长时间，引发非常严重的环境问题。
3. 昆虫生长调节剂
激素类药物是近年来为了取代杀虫剂而研发的新产品。保幼激素类似物可以阻止白蚁若蚁发育成工蚁，破坏白蚁群体品级的完整性，从而使白蚁巢逐渐衰竭。这类药物对高等动物毒性很低，哺乳动物半致死率高达每千克体重5000毫克。此外，激素类药物在土壤中很快就会被微生物分解，不会造成残留。但是这类药物无法快速致死，投药后蚁害还会持续一段时间。
4. 人工挖除
人工挖除是铲除蚁害最彻底、见效最快的方法。只要能确认挖除王、后，就能确保效果。但白蚁巢地下部分结构复杂，体积庞大，各分巢之间由长度达数米、直径至多5厘米的蚁道相连，挖掘时容易遗漏，导致蚁害复发。为避免遗漏分巢，实际挖掘的土方量往往超出白蚁巢体积的十数倍，工程量浩大。因此，如何在开挖前确定白蚁巢的分布范围和大致走向是必须解决的问题。
现有的白蚁巢探测设备，如探地雷达和电极阵列，多由地下管道探测设备改装而来，普遍体积庞大，精度低下，在复杂环境中难以准确识别当年巢和分巢，被漏掉的白蚁巢会导致蚁害快速复发。而近年来以“二氧化碳探测防治一体机”为代表的、专门针对土栖白蚁开发的新型设备，则无法处理白蚁筑巢留下的空腔和蚁道。为此，需要设计一种新型的，针对白蚁巢本身的探测设备。
2. 黑翅土白蚁
2.1生物学分类
目 录
1. 前言 1
2. 黑翅土白蚁 3
2.1生物学分类 3
2.2生命周期 3
2.3辨识特征 5
2.3.1泥被 5
2.3.2分飞孔 6
2.3.3真菌子实体 7
2.4主要危害 8
2.4.1破坏植被 8
2.4.2危害堤防 8
3. 现有的白蚁巢探测设备 9
3.1二氧化碳查治一体机 9
3.2探地雷达 9
3.3电极阵列 10
4. 成像系统方案对比 12
4.1太赫兹成像 12
4.2地波成像 12
4.3超声波成像 12
5. 超声波成像原理 14
5.1超声波传播特征 14
5.2介质的声学特性 14
5.2.1声阻抗 14
5.2.2衰减系数 14
5.2.3反射系数 15
5.3均一介质中的超声波成像原理 15
6. 超声波耦合装置设计 16
6.1轮式干耦合 16
6.2钻探式湿耦合 18
7. 超声波成像系统方案设计 20
7.1发射模块 20
7.1.1超声换能器 20
7.1.2升压元件 21
7.1.3驱动电路 23
7.1.4隔离电路 23
7.2接收模块 24
7.2.1限幅元件 24
7.2.2滤波电路 24
7.2.3增益电路 25
7.3主控制模块 26
7.3.1微控制器 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
7.3.2时钟电路 26
7.3.3显示电路 27
7.3.4数据存储 28
7.3.5数据通信 29
7.3.6电源 30
总结 31
参考文献 32
致谢 32
前言
大白蚁亚科的土栖培菌白蚁在我国南方地区广泛分布，其中黑翅土白蚁适应力最强，分布范围最广，危害最大。如湖南株洲市，2016年对该市的530座水库堤坝进行检测时，发现有448座存在蚁害，其中284座都由黑翅土白蚁引起。白蚁造成的危害隐患必须得到重视。
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图1.1 株洲市郊区水库挖出的白蚁巢 图1.2 被白蚁剥掉表皮和韧质部的树木
黑翅土白蚁危害如此严重，很大程度上来源于白蚁的顽固性和高复发性。黑翅土白蚁分巢众多，结构复杂，多年巢深度可达7米，根除非常困难。
现行的杀灭白蚁的方法主要有如下几种：
1. 毒饵
毒饵灭白蚁是目前较为常用的方法。将慢性毒药与饵料混合，白蚁取食后回到巢穴中死亡，其它白蚁为了回收蛋白质会吃掉死亡的白蚁，然后也被毒死。市场上常见的“灭蚁灵”即属此类产品。
这种方法操作简单，见效快，但只适合消灭小群白蚁。大群白蚁即使取食毒饵，毒性也会被庞大的数量稀释，达不到效果。另外，为了引诱白蚁取食，毒饵中添加了醋酸，糖，氨基酸等诱食物质，而这些物质对大部分昆虫和鸟类都有引诱效果，容易误伤益虫、益鸟。
2. 杀虫剂
泼洒杀虫剂是非常传统的灭蚁方法。杀虫剂分为两类，趋避性的杀虫剂和非趋避性的杀虫剂。前者往往具有较大的气味，直接杀死白蚁的同时还能在一段时间内阻止白蚁靠近。后者则相反，白蚁难以察觉，也就不会逃离杀伤范围。
与毒饵不同，杀虫剂选用的药物大都是速效的，所以一般在发现大群白蚁后使用。向泥被和白蚁巢喷洒大剂量杀虫剂，即使不能彻底消灭白蚁，也能大幅削减工蚁的数量，减轻防治压力；在要保护的目标上喷洒趋避性杀虫剂，可以立即组织白蚁的破坏，常用于古建筑等高价值目标的保护。
大群白蚁的巢位置非常深，常位于地表以下数米，为此需要播撒大剂量的杀虫剂以保证杀伤效果。这些杀虫剂会在土壤中残留很长时间，引发非常严重的环境问题。
3. 昆虫生长调节剂
激素类药物是近年来为了取代杀虫剂而研发的新产品。保幼激素类似物可以阻止白蚁若蚁发育成工蚁，破坏白蚁群体品级的完整性，从而使白蚁巢逐渐衰竭。这类药物对高等动物毒性很低，哺乳动物半致死率高达每千克体重5000毫克。此外，激素类药物在土壤中很快就会被微生物分解，不会造成残留。但是这类药物无法快速致死，投药后蚁害还会持续一段时间。
4. 人工挖除
人工挖除是铲除蚁害最彻底、见效最快的方法。只要能确认挖除王、后，就能确保效果。但白蚁巢地下部分结构复杂，体积庞大，各分巢之间由长度达数米、直径至多5厘米的蚁道相连，挖掘时容易遗漏，导致蚁害复发。为避免遗漏分巢，实际挖掘的土方量往往超出白蚁巢体积的十数倍，工程量浩大。因此，如何在开挖前确定白蚁巢的分布范围和大致走向是必须解决的问题。
现有的白蚁巢探测设备，如探地雷达和电极阵列，多由地下管道探测设备改装而来，普遍体积庞大，精度低下，在复杂环境中难以准确识别当年巢和分巢，被漏掉的白蚁巢会导致蚁害快速复发。而近年来以“二氧化碳探测防治一体机”为代表的、专门针对土栖白蚁开发的新型设备，则无法处理白蚁筑巢留下的空腔和蚁道。为此，需要设计一种新型的，针对白蚁巢本身的探测设备。
2. 黑翅土白蚁
2.1生物学分类
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