多功能超声波测距仪设计_偏软部分
多功能超声波测距仪设计_偏软部分[20191213104823]
摘 要
在现今科技高速发展的背景下，国内外在用于工业自动化和机器人等方面的超声波测距仪的各种研究开展地十分广泛。超声波测距是一种典型的非接触式测量方法，在很多场合都起着非常重要的作用，随着机器人技术等在人类日常生活中的普及，作为机器人的眼睛，超声波测距技术也得到了长足发展。而在工业上的自动控制，建筑业上的工程测量等都离不开超声波测距仪。
超声波测距的广泛应用体现了其独特的优点，声波在空气中传播速度远远小于光波和无线电波，那么其对于时间测量精度的要求就远小于激光测距、微波测距等系统，其电路易实现、结构简单和造价低的优点显得尤为突出。超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均能得到广泛应用。
本文着重于对多功能超声波测距仪的设计与探讨，超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远。本课题选择HC-SR04双探头超声波模块进行超声波的发送与接收，选择MSP430F149单片机作为主控制器，测距结果及温度由Nokia5510LCD液晶显示输出。测距时，将超声波测距模块平对着障碍物，本系统可对距离及温度进行控制：当测量距离、测量温度超出设定值时，报警系统启动，控制蜂鸣器工作；温度传感器测量温度并显示输出。本文体现了超声波测距仪的简单实用性，而在具体的算法中，也需要将温度，湿度等可能对超声波测距结果产生影响的因素考虑在内，通过算法补偿，实现系统的最优化设计。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:超声波；测距；单片机；控制
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 多功能超声波测距仪的研究背景和意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 本领域的研究历史与现状 2
1.2.1 研究历史 2
1.2.2 发展现状 2
1.3 课题主要研究内容和研究方案 3
1.3.1 研究内容 3
1.3.2 研究方案 3
第2章 超声波测距系统的工作原理 4
2.1 超声波概述 4
2.1.1 声音与超声波 4
2.1.2 声速及其影响因素 4
2.2 压电式超声波传感器原理及其特性 5
2.2.1 压电式超声波传感器的原理 5
2.2.2 压电式超声波传感器的特性 6
2.3 超声波测距原理与其限制 8
2.3.1 超声测距原理 8
2.3.2 超声波测量限制 9
2.4 测距最佳方案 10
2.4.1 测距干扰因素及采取措施 10
2.4.2 方法比较 11
第3章 系统硬件设计 13
3.1 系统电路的总体设计 13
3.2 主要模块的具体设计及其元器件的介绍 13
3.2.1 微处理器电路 14
3.2.2 电源电路 16
3.2.3 超声波发射电路 18
3.2.4 超声波接收电路 20
3.2.5 液晶电路 21
3.2.6 报警系统与温度传感器 21
第4章 系统软件设计 23
4.1 软件的设计流程 23
4.2 软件设计的需求分析 23
4.3 软件环境的搭建 25
4.4 软件总体设计 26
4.5 超声波测距模块 28
4.6 液晶显示模块 31
4.7 软件设计的综合分析 33
第5章 超声波测距的结果分析 36
5.1 测量结果 36
5.2 误差分析 36
第6章 结 论 39
参考文献 40
致 谢 41
附录 源程序 42
中英互译 52
第1章 绪论
1.1 多功能超声波测距仪的研究背景和意义
超声波测距是一种非常典型的非接触式测距方法，在很多场合都起着非常重要的作用，随着机器人技术的广泛应用，其中离不开的就是超声波测距技术，它的作用就相当于人的眼睛。而在工业上的自动控制，建筑业上的工程测量等等都是离不开超声波测距仪的。超声波测距的广泛应用体现了其独特的优点，相比之下，因为声波在空气中传播速度远远小于光波和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于其他的测距系统，所以超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，达到了简单实用的要求。另外，超声波在传播过程中不受能见度或者烟雾情况等干扰的影响，在很多场合都能得到很好的应用。
1.1.1研究背景
超声波测距也存在诸多的干扰因素，一是超声波在空气中衰减较大，测量距离的不同造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，特别是对近距离的测量造成较大的影响。三是诸如环境温度、风速以及环境湿度等也会对测量造成一定的影响，这些原因都导致了超声波测距精度上的缺陷，所以限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，显然如何提高超声波测距仪的精度将是一个具有重大现实意义的研究方向，值得开展广泛地探讨与研究。
1.1.2研究意义
超声波测距方法是一种经典而实用的非接触式测量距离的方法，和其他一些测距方法相比，具有不受外界自然环境等因素影响的优点，另外，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，能够达到简单实用的要求，因此在机器人定位，工业控制、建筑测量等方面得到了广泛的应用。但由于超声波发送与接收时难于精确捕捉，加上温度以及环境的中湿度等因素对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。
测距在不同的场合和控制中都经常需要检测，它已经成为了数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速甚至无线电小的很多，那么传播时间就比较容易检测，并且定向发射效果好，方向性佳，强度也好控制，所以人类利用超声波测距。通过电子技术等来安排超声波测距仪在顶替人类进行高难度的作业与操作。比如我们常见的机器人在很恶劣的条件下进行深水作业，甚至是代替人进行拆除炸弹这样的高度危险工作。
超声波测距的潜力显而易见，如果能在精度上实现飞跃性的提高，那么超声波测距将取代其他的测距方法，高性价比的特性会让其成为第一选择，所以超声波测距精度度提高方向的研究有很大的研究空间与发展前景。
1.2 本领域的研究历史与现状
1.2.1研究历史
超声波的应用可以追溯到上世纪的四十年代，作为二战时期飞速发展的高科技中的一部分，超声波的价值也逐渐被人们发现，由于超声波对于环境的要求不高，可以在很恶劣的环境下作业，那么也就产生了超声波来探测敌方飞机的应用。其实现今广泛应用的机器人技术也是上世纪超声波技术的不断延伸。国内从五十年代起对超声波测距进行了较多的研究，并取得了可喜的成果，近年来由于电子技术的飞速发展，特别是单片机技术的应用，也使得原来非常复杂的超声物位测量仪的设计有了大幅简化的可能。
1.2.2 发展现状
随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展，它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活，就像单片机的产生到发展壮大一样，机器人从在研究所中的研发，再到现实生活中的应用，机器人可以代替人到深海作业，可以代替人去拆除危险炸弹。如今的机器人也像单片机一样在人们的日常生活中大放异彩。而广泛的应用也使得人们对于机器人的了解显得格外重要，因为机器人也不能产生较大的误差，因为一旦对距离控制的不好，产生的后果也是不堪设想的，可能会损失的更多。超声波测距系统可以让机器人了解其前、后、左、右的动态，从而让其能行动便捷，不出现意外。其实这样的功能就相当于人在前进中的眼睛，如果没有超声波等测距手段，那么现在的诸如机器人等的高端设备都会变成找不到目标的笨重物品。
利用超声波是一个不变的主题，人们也在不断地探索，截至今日，已经出现了各式各样的超声波测距系统。为了应对不同的需求，可以人类的创造力是无限的，从总体上来讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。而其中电气方式的超声波发生器包括压电型[14]、电动型和磁致伸缩型等。而在本系统中介绍的就是其中的压电型超声波发生器。
1.3 课题主要研究内容和研究方案
1.3.1 研究内容
本课题主要内容是设计一个超声波测距系统, 其实超声波测距就是用已知的声波速度和获得的传播时间来最终计算出距离变量的应用。由于超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差，最终计算出发射点到障碍物的实际距离。
1.3.2 研究方案
本课题由超声波传感器模块、液晶显示模块，串行接口模块、键盘切换模块等构成，其中的每个模块也是大学期间经常使用到的，把以上几个模块连接到MSP430单片机上实现整体的控制。
课题研究方案是根据设计要求并综合其他可能的影响因素，采用单片机作为主控制器，控制超声波的接收和发射，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，因为不同的超声波发生器产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，本设计要进行较近距离的测量，所以选用利用电气方式产生超声波的超声波发生器----压电式超声波发生器。
第2章 超声波测距系统的工作原理
2.1 超声波概述
2.1.1 声音与超声波
声音是自然界中的很重要的一个生活元素，不管是在人类世界还是动物世界，这都是一种很常见的，与生活息息相关的因素。对于声音的研究也早已开始，生活中，我们听到的以及听不到的各种声音。科研史上，声学的发展也早早开始了。众所周知，超声波是人类耳朵听不到的声音信号。但是到了18世纪，人们就开始研究各种生物，比如海豚、蝙蝠等，之后才知道自然界里面可能存在超声。声波可以在气体，液体，固体中传播，而且它是一种机械波。如果按照频率划分，我们可以把它分为次声波，声波，超声波，特超声波。
当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声。超声波在介质中传输的速度即介质的声速。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质等因素有关。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。
2.1.2 声速及其影响因素
声速也是变化的，自然环境中的各种因素都可能对声波的传播产生一定的影响。声速在介质中的传播会。在标准大气压下，声速在空气中的速度约为334 m/s，而在水中的传播速度约为1400m/s,甚至声速在钢铁中传播速度能达到5000m/s。另外，研究表明，声速在液体中的传播会随着液体温度的上升而增加，其中水是个例外，在压强增加的同时，声速也会相应的增加。
在传播介质中的很多因素都能影响声波的传播，很多情况下，可以建立出公式来表示这些关系，而有些特殊情况，学者通过经验建立起公式，例如介质的成分，成分之间的比例等，这些因素都可以建立起一定的关系，那么就算是混合的环境，我们也可以通过这些经验来研究声音的传播。传播声速的介质中，温度、压强、流速等状态参量的变化都会引起声速的变化，随后还出现了超声温度计[12]和超声流量计等设备。在声速知道的前提下，可以得出声波传播距离L和传播时间T的关系为L=V*T，进行超声测距，这也是声波测距的最简单的一个原理，这是在知道速度和时间的情况进行测量距离的最实用的一个模式。
另外，声阻抗也是研究声音时必须知道的一个因素。在初中物理中，我们就知道，声音从一种介质传播到另外一种介质时，在两种介质的表面就会发生反射与折射，反射角与入射角相等，而入射角与反射角会形成一定的三角函数关系。
研究表明，超声波在两种介质的界面上发生反射与折射时，会出现反射能量与折射能量变化的概念，其中反射能量和透射能量的变化，就要引出这两种介质的声阻抗之比。声阻抗的定义是传声介质的声速V与密度ρ的乘积，用M表示。在介质中，这也是一个固有的常数值。另外，超声波在介质中传播时，这也是一个很重要的因素，单位定义为瑞利(rayl)。
众所周知，超声波在弹性介质[18]中传播时，能量会发生变化，这也是声波传播时通常都会出现的一个问题，产生原因如下:
(1)波前的扩展时产生的能量损失；
(2)发射折射等，即散射衰减；
(3)在介质中传播时能量被吸收，内耗产生的吸收衰减。
2.2 压电式超声波传感器原理及其特性
2.2.1 压电式超声波传感器的原理
图2.1 压电式传感器应用实例
上图是压电式传感器的应用实例。
本课题选择超声波作为检测距离的手段，首先要得到超声波信号，通过超声波的发送与接收完成测距。而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，压电式超声波传感器如图2.2所示。
图2.2 超声波传感器简单结构图
简单地说，压电效应是指某些晶体，当沿着一定方向收到外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，像这种机械能转换成电能的现象，成为正压电效应。当作用力消失，那么电荷的极性也随着改变。晶体所产生的电荷量与外力的大小成正比。反之，对晶体施加外电场时，晶体本身产生机械变形的现象称为逆电压效应。
摘 要
在现今科技高速发展的背景下，国内外在用于工业自动化和机器人等方面的超声波测距仪的各种研究开展地十分广泛。超声波测距是一种典型的非接触式测量方法，在很多场合都起着非常重要的作用，随着机器人技术等在人类日常生活中的普及，作为机器人的眼睛，超声波测距技术也得到了长足发展。而在工业上的自动控制，建筑业上的工程测量等都离不开超声波测距仪。
超声波测距的广泛应用体现了其独特的优点，声波在空气中传播速度远远小于光波和无线电波，那么其对于时间测量精度的要求就远小于激光测距、微波测距等系统，其电路易实现、结构简单和造价低的优点显得尤为突出。超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均能得到广泛应用。
本文着重于对多功能超声波测距仪的设计与探讨，超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远。本课题选择HC-SR04双探头超声波模块进行超声波的发送与接收，选择MSP430F149单片机作为主控制器，测距结果及温度由Nokia5510LCD液晶显示输出。测距时，将超声波测距模块平对着障碍物，本系统可对距离及温度进行控制：当测量距离、测量温度超出设定值时，报警系统启动，控制蜂鸣器工作；温度传感器测量温度并显示输出。本文体现了超声波测距仪的简单实用性，而在具体的算法中，也需要将温度，湿度等可能对超声波测距结果产生影响的因素考虑在内，通过算法补偿，实现系统的最优化设计。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:超声波；测距；单片机；控制
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 多功能超声波测距仪的研究背景和意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 本领域的研究历史与现状 2
1.2.1 研究历史 2
1.2.2 发展现状 2
1.3 课题主要研究内容和研究方案 3
1.3.1 研究内容 3
1.3.2 研究方案 3
第2章 超声波测距系统的工作原理 4
2.1 超声波概述 4
2.1.1 声音与超声波 4
2.1.2 声速及其影响因素 4
2.2 压电式超声波传感器原理及其特性 5
2.2.1 压电式超声波传感器的原理 5
2.2.2 压电式超声波传感器的特性 6
2.3 超声波测距原理与其限制 8
2.3.1 超声测距原理 8
2.3.2 超声波测量限制 9
2.4 测距最佳方案 10
2.4.1 测距干扰因素及采取措施 10
2.4.2 方法比较 11
第3章 系统硬件设计 13
3.1 系统电路的总体设计 13
3.2 主要模块的具体设计及其元器件的介绍 13
3.2.1 微处理器电路 14
3.2.2 电源电路 16
3.2.3 超声波发射电路 18
3.2.4 超声波接收电路 20
3.2.5 液晶电路 21
3.2.6 报警系统与温度传感器 21
第4章 系统软件设计 23
4.1 软件的设计流程 23
4.2 软件设计的需求分析 23
4.3 软件环境的搭建 25
4.4 软件总体设计 26
4.5 超声波测距模块 28
4.6 液晶显示模块 31
4.7 软件设计的综合分析 33
第5章 超声波测距的结果分析 36
5.1 测量结果 36
5.2 误差分析 36
第6章 结 论 39
参考文献 40
致 谢 41
附录 源程序 42
中英互译 52
第1章 绪论
1.1 多功能超声波测距仪的研究背景和意义
超声波测距是一种非常典型的非接触式测距方法，在很多场合都起着非常重要的作用，随着机器人技术的广泛应用，其中离不开的就是超声波测距技术，它的作用就相当于人的眼睛。而在工业上的自动控制，建筑业上的工程测量等等都是离不开超声波测距仪的。超声波测距的广泛应用体现了其独特的优点，相比之下，因为声波在空气中传播速度远远小于光波和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于其他的测距系统，所以超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，达到了简单实用的要求。另外，超声波在传播过程中不受能见度或者烟雾情况等干扰的影响，在很多场合都能得到很好的应用。
1.1.1研究背景
超声波测距也存在诸多的干扰因素，一是超声波在空气中衰减较大，测量距离的不同造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，特别是对近距离的测量造成较大的影响。三是诸如环境温度、风速以及环境湿度等也会对测量造成一定的影响，这些原因都导致了超声波测距精度上的缺陷，所以限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，显然如何提高超声波测距仪的精度将是一个具有重大现实意义的研究方向，值得开展广泛地探讨与研究。
1.1.2研究意义
超声波测距方法是一种经典而实用的非接触式测量距离的方法，和其他一些测距方法相比，具有不受外界自然环境等因素影响的优点，另外，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，能够达到简单实用的要求，因此在机器人定位，工业控制、建筑测量等方面得到了广泛的应用。但由于超声波发送与接收时难于精确捕捉，加上温度以及环境的中湿度等因素对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。
测距在不同的场合和控制中都经常需要检测，它已经成为了数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速甚至无线电小的很多，那么传播时间就比较容易检测，并且定向发射效果好，方向性佳，强度也好控制，所以人类利用超声波测距。通过电子技术等来安排超声波测距仪在顶替人类进行高难度的作业与操作。比如我们常见的机器人在很恶劣的条件下进行深水作业，甚至是代替人进行拆除炸弹这样的高度危险工作。
超声波测距的潜力显而易见，如果能在精度上实现飞跃性的提高，那么超声波测距将取代其他的测距方法，高性价比的特性会让其成为第一选择，所以超声波测距精度度提高方向的研究有很大的研究空间与发展前景。
1.2 本领域的研究历史与现状
1.2.1研究历史
超声波的应用可以追溯到上世纪的四十年代，作为二战时期飞速发展的高科技中的一部分，超声波的价值也逐渐被人们发现，由于超声波对于环境的要求不高，可以在很恶劣的环境下作业，那么也就产生了超声波来探测敌方飞机的应用。其实现今广泛应用的机器人技术也是上世纪超声波技术的不断延伸。国内从五十年代起对超声波测距进行了较多的研究，并取得了可喜的成果，近年来由于电子技术的飞速发展，特别是单片机技术的应用，也使得原来非常复杂的超声物位测量仪的设计有了大幅简化的可能。
1.2.2 发展现状
随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展，它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活，就像单片机的产生到发展壮大一样，机器人从在研究所中的研发，再到现实生活中的应用，机器人可以代替人到深海作业，可以代替人去拆除危险炸弹。如今的机器人也像单片机一样在人们的日常生活中大放异彩。而广泛的应用也使得人们对于机器人的了解显得格外重要，因为机器人也不能产生较大的误差，因为一旦对距离控制的不好，产生的后果也是不堪设想的，可能会损失的更多。超声波测距系统可以让机器人了解其前、后、左、右的动态，从而让其能行动便捷，不出现意外。其实这样的功能就相当于人在前进中的眼睛，如果没有超声波等测距手段，那么现在的诸如机器人等的高端设备都会变成找不到目标的笨重物品。
利用超声波是一个不变的主题，人们也在不断地探索，截至今日，已经出现了各式各样的超声波测距系统。为了应对不同的需求，可以人类的创造力是无限的，从总体上来讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。而其中电气方式的超声波发生器包括压电型[14]、电动型和磁致伸缩型等。而在本系统中介绍的就是其中的压电型超声波发生器。
1.3 课题主要研究内容和研究方案
1.3.1 研究内容
本课题主要内容是设计一个超声波测距系统, 其实超声波测距就是用已知的声波速度和获得的传播时间来最终计算出距离变量的应用。由于超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差，最终计算出发射点到障碍物的实际距离。
1.3.2 研究方案
本课题由超声波传感器模块、液晶显示模块，串行接口模块、键盘切换模块等构成，其中的每个模块也是大学期间经常使用到的，把以上几个模块连接到MSP430单片机上实现整体的控制。
课题研究方案是根据设计要求并综合其他可能的影响因素，采用单片机作为主控制器，控制超声波的接收和发射，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，因为不同的超声波发生器产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，本设计要进行较近距离的测量，所以选用利用电气方式产生超声波的超声波发生器----压电式超声波发生器。
第2章 超声波测距系统的工作原理
2.1 超声波概述
2.1.1 声音与超声波
声音是自然界中的很重要的一个生活元素，不管是在人类世界还是动物世界，这都是一种很常见的，与生活息息相关的因素。对于声音的研究也早已开始，生活中，我们听到的以及听不到的各种声音。科研史上，声学的发展也早早开始了。众所周知，超声波是人类耳朵听不到的声音信号。但是到了18世纪，人们就开始研究各种生物，比如海豚、蝙蝠等，之后才知道自然界里面可能存在超声。声波可以在气体，液体，固体中传播，而且它是一种机械波。如果按照频率划分，我们可以把它分为次声波，声波，超声波，特超声波。
当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声。超声波在介质中传输的速度即介质的声速。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质等因素有关。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。
2.1.2 声速及其影响因素
声速也是变化的，自然环境中的各种因素都可能对声波的传播产生一定的影响。声速在介质中的传播会。在标准大气压下，声速在空气中的速度约为334 m/s，而在水中的传播速度约为1400m/s,甚至声速在钢铁中传播速度能达到5000m/s。另外，研究表明，声速在液体中的传播会随着液体温度的上升而增加，其中水是个例外，在压强增加的同时，声速也会相应的增加。
在传播介质中的很多因素都能影响声波的传播，很多情况下，可以建立出公式来表示这些关系，而有些特殊情况，学者通过经验建立起公式，例如介质的成分，成分之间的比例等，这些因素都可以建立起一定的关系，那么就算是混合的环境，我们也可以通过这些经验来研究声音的传播。传播声速的介质中，温度、压强、流速等状态参量的变化都会引起声速的变化，随后还出现了超声温度计[12]和超声流量计等设备。在声速知道的前提下，可以得出声波传播距离L和传播时间T的关系为L=V*T，进行超声测距，这也是声波测距的最简单的一个原理，这是在知道速度和时间的情况进行测量距离的最实用的一个模式。
另外，声阻抗也是研究声音时必须知道的一个因素。在初中物理中，我们就知道，声音从一种介质传播到另外一种介质时，在两种介质的表面就会发生反射与折射，反射角与入射角相等，而入射角与反射角会形成一定的三角函数关系。
研究表明，超声波在两种介质的界面上发生反射与折射时，会出现反射能量与折射能量变化的概念，其中反射能量和透射能量的变化，就要引出这两种介质的声阻抗之比。声阻抗的定义是传声介质的声速V与密度ρ的乘积，用M表示。在介质中，这也是一个固有的常数值。另外，超声波在介质中传播时，这也是一个很重要的因素，单位定义为瑞利(rayl)。
众所周知，超声波在弹性介质[18]中传播时，能量会发生变化，这也是声波传播时通常都会出现的一个问题，产生原因如下:
(1)波前的扩展时产生的能量损失；
(2)发射折射等，即散射衰减；
(3)在介质中传播时能量被吸收，内耗产生的吸收衰减。
2.2 压电式超声波传感器原理及其特性
2.2.1 压电式超声波传感器的原理
图2.1 压电式传感器应用实例
上图是压电式传感器的应用实例。
本课题选择超声波作为检测距离的手段，首先要得到超声波信号，通过超声波的发送与接收完成测距。而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，压电式超声波传感器如图2.2所示。
图2.2 超声波传感器简单结构图
简单地说，压电效应是指某些晶体，当沿着一定方向收到外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，像这种机械能转换成电能的现象，成为正压电效应。当作用力消失，那么电荷的极性也随着改变。晶体所产生的电荷量与外力的大小成正比。反之，对晶体施加外电场时，晶体本身产生机械变形的现象称为逆电压效应。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4894.html
