1、 开题报告 超声波测距系统的设计 专业： 电子信息工程 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 现在认为，超声波最先是从 1876 年 F.Galton 的气哨实验开始，这是人类首次产生高频声波。在以后 30 年内，人们对超声波仍然了解的比较少，发展较为缓慢，对超声波研究没有非常重视。接着在第一次世界大战中，超声波的研究慢慢的受到各国的重视。这时期法国人 Langevin 使用了一种晶体传感器，并使其在水下接收一些相对较低频率的超声波，并且提出是否可以使用超声波对水中的潜艇进行检测或者在水下利用超声波进行通信。 在 1929 年，前苏联科学家 Sokolov 最先提出了利用超声波探
2、进行检查金属物内部是否存在缺陷的想法。在间隔两年后，德国人 Mulhauser 获准一项关于超声检测方法的德国专利，但是他却没有在这方面进行深入的探索研究。在 1934年 Sokolov 发表了关于超声波在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，使用了多种方法用来检测穿过试验物品的超声波中含有的能量，在这些方法中最为简单的是使用光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹的大小。 之后德国人 Bergrnann 发布了关于超声波的经典著作 uLTRAsoNIC，在该著作 中对超声波早期的大量资料进行了详细的论述，这本著作也一直被认为是超声波领域中的经典之一。美国的Firestone 和英国的 Sprou
3、lels 两人对超声波脉冲回波探伤仪进行了首次介绍，并使超声波检测技术发展到了更为重要的一个阶段。在各种各样的超声波检测系统中，这是最为成功的一种检测系统，因为它具有最广泛的代表性，而且其检测结果也是最容易解释的。这种方法除了可用于手工检测外，还可以和各种先进的系统进行联用。直至当前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍然是应用最为广泛的一种。 在 50 年代由于雷达的快速发展大大的促进了 超声波技术的发展；而后随着电子技术的不断快速发展，又使超声波的发展有了一次快速的飞跃。超声波被广泛的应用于医疗诊断、无损检测及工业控制中。在 60 年代，随着新材料新技术的应用以及对超声波的深入研究，产生了一些
4、超过 100GHz的超高频超声波，而且 这些超高频的超声波开始应用于物理学基础研究、通信和计算机技术等领域当 中。 在 1992 年 FigneroaJ.F 提出一种新的超声回波计时方法，该方法利用峰值和相位相加得到回波时延冈。 利用 这种 测量 方法能 够 达到 18 一 34 米 的测量范围 ，误差精度 为 2%。在 2007 年，HanneSElmer 在对 高精度超声波测距系统 的研究中 利用 了 编码信号， 并对 实现 超声波测距 高分辨率提出了 方法。 在 近几年， 由于 电子技术及压电陶瓷材料的 不断快速 发展 ,超声检测技术 也随之迅猛发展 。 位于美国 的 普力塞思公司研制了
5、 APRESYS 超声波测距仪， 不仅 实现了高速精确的长宽高测量 而且还实现面积测量。加拿大柏威腾超声波设备厂 更是 研制了各种超声波测量及工业应用设备。 在我国， 对于超声波的研究起始于 60 年代，在此期间建立了分子声学研究室，对超声波进行了各种测量研究，设计了超声波在固体衰减测试仪等多种仪器。于此同时对超声波医疗、探 伤、显示、加工各个方面都取得了长足的进步。 步入 80 年代后，我国对超声波的研究也进入了一个快速发展的阶段，并且取得了一系列骄人的成绩。 高分子压电 PVDF 型换能器 和 超声显微镜 能够在实际中应用，制造 PVDF 高分子压电薄膜材料的技术处于国际领先水平， B 超
6、探头投入到实际的医疗应用等。 近些年随着中国工业自动化水平的不断提高，国内对于超声波技术水平的要求不断提高，国内超声波的发展再次得到了快速的发展。 1996 年中国科学院上海声学实验室提出了一种双频超声波测距的原理和方法 。 2000 年，童峰、许肖梅等提出一种以均方误差为 观察对象的 LMS 自适应延时估计算法，这种算法极大的提高了超声测距的可靠性，但是算法较为复杂，运算量大，不利于实时处理 。 中国测试技术研究所的李茂山在超声波测距原理及实践技术中将超声波在空气中的传播速度做为已知条件，测量出超声波行在需要测量测量距离所行进时间的超声波测距原理。在文章中还对影响超声波声速的因素以及超声波的
7、传输特性进行了讲解，并且描绘出了超声波测距的各个步骤。中国海洋大学的曹玉华在超声波测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用中提出了用温度补偿的方法进一步提高超声波测距的精度。因超声波 的传播速度对整个测距系统的精度起着重要的作用，且超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。用温度补偿来修正超声波速度，从而减小温度变化对距离测量精度的影响。该超声波测距装置在 1.5m 的测量范围内，测量误差小于 5cm。山东科技大学的王红梅在高分辨力超声测距系统的研究对现在已有超声波测距进行了分析并评价了各自的优缺点，可以采用超声波多次发射，以多次测量的平均值作为
8、测量值的方法进行提高超声波测距精度，并且用温度补偿的方法进一步提高系统精度。同时为了提高仪器的分辨 力，还可采用若干方法来减小随机误差。 从技术上看，超声波测距系统在上个世纪 70年代已经实用化，从 70年代末期开始广泛应用于生产领域。 利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求 在一些常规测量方式不能够很好完成的地方，超声波测距都有着良好的应用。相比于传统的常规测量，超声波在测距方面主要突出以下优点： 1、应用范围广泛，超声波在气体、液体和固体介质中都能够传输，所以在这些介质当中都能够应用； 2、对环境要求低，超声波对外界的电磁波、光
9、线或粉尘都不是很敏 感，在这些环境中测量时可以降低人员的劳动强度； 3、超声波传感器的结构简单，设备价格低廉，维护方便，工作稳定靠，很容易大规模工业化使用。 这是超声波的这些个特性优点，使其在民事上，工业上、军事上都有着广泛的应用。比如在民事上的自动泊车系统和倒车雷达系统等；工业上的超声波探伤系统，自动化装配、检测、分类系统等；军事上的潜艇声纳系统等。 随着经济发展，电子测量技术将应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术将会被广泛应用于人们日常工作和生活之中。 虽然 说现在人们利用超声波测距还十分有限。但相信 随着科技的不断进步发展
10、，超声波测距仪将不仅仅只是用于测量距离，而会和自动化智能化接轨，和其他仪器设备组合在一起，成为多功能的测量仪器，从单纯的判断功能发展到具有学习功能，能够自主创新。 虽然说现阶段我国的在超声波研究发面取得了许多骄人的成绩，但在总体方面和发达国家相比还是有着不小的差距，国内生产的许多超声波仪器在精度上、可靠性上都还不能满足人们生产生活的需求，都需要长期依赖于国外的进口。所以在超声波研究方面，国内还需要不断的进行探索研究。因此对于超声波测距的研究具有 非常重要的实时性和重要性。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 论文的主要内容是研制一种近距离高精度超声波测距系统。将系统分为超声波发射、超声波接
11、收、计时电路等若干部分 ,分别进行设计 ,并进行适当优化。其主要技术指标如下： 1) 使该系统的最大测距距离达到 2 米； 2) 测量精度优于 0.01 米，距离显示值可以动态刷新，示数稳定； 3) 当被测物体进入 30cm 的警报范围并且继续靠近时，能够发出警报声。 三、研究步骤、方法及措施： 1 选择确立总体方案； 2 设计出电路原理图； 3 对电路图进行仿真测试，； 4 完善作品，编写论文； 5 整 理论文及资料，准备答辩； 通过查阅已有的相关文档及技术资料，先确立总体方案，根据选择的方案进行电路的搭建，针对性的进行设计研究。 四、参考文献 1 时德钢 ,刘晔 ,王峰 ,韦 兆碧 ,王采
12、堂 .超声 波测距 仪的研 究 J.计算机 测量与 控制 , 2002.(07):480482 2 翟国 富， 刘茂 恺 .一种 实时 高精 度的 机器 人用 超声 波测 距处 理方 法 J.应用声 学 , 1990(1):1724 3苏长赞 .红外线与超声波遥控 M.北京 :人民邮电出版社 ,1995. 4曹玉华 .超声测距系统设计及其在机器人模糊避 障中的应用 D.山东 :中国海洋大学， 2007. 5李茂山 .超声测距原理及实践技术 J.实用测试技术， 1994.(1):1220 6 王红梅 . 高 分 辨 力 超 声 测 距 系 统 的 研 究 D. 山东 : 山 东 科 技 大 学
13、， 2004:4345 7JaekBlitz.Ultrasonics methods and applieationsM.London:ButteoorthS， 1971. 8Sokolov,S.Ultrasonic methods for determining internal flaws in metal objectsJ.Russian,Zavod,Lab,1935. 9Firestone,F.A.Flaw deteeting device and measuring instrumentP .U.S.Patent no.2， 1940. 10Deseh， C.H， Sproule， D.O.and Dawson,W.J.The deteetion of cracks in steel by means of Supersonic wavesJ.Iron Steel Inst， 1946. 五、研究工作进度 ： 1） 第 1、 2 周完成开题报告； 2） 第 3、 4 周制定总体方案和具体设计计划； 3） 第 5 13 周完成论文初稿； 4） 第 14 周整理论文及准备答辩。
