1、传感器技术与应用 福州大学 应用物理学 祝张 学号： 110800730 tel：132550565661超声波传感器的原理与智能超声波测距测温系统的设计摘要： 本文较为系统的介绍了超声波传感器的原理，并利用超声波传感基于 51 单片机设计了具有测距和测温双重功能的系统。关键词：超声波、超声波传感器、超声波测距、超声波测温、智能系统1、超声波传感器的原理超声波的定义与性质：超声波是一种机械波，它是一种能够在弹性介质中传播的机械振荡，是由于介质间相互接触的振荡引起的。这样的机械振动在介质中的传播过程称为机械波、波动、弹性波或声波。而超声波就是指频率高于 20kHz 的机械波。通常超声波有几种不同
2、的波形：1、质点的振动与传播方向一致的纵波。2、质点的振动与传播方向垂直的横波。3、质点的振动介于纵波与横波之间沿着表面传播的表面波。纵波在固体、液体与气体中均能传播所以为了能测量不同状态下的物理量我们一般使用纵波，所以本文主要描述纵波。横波与表面波只能在固体中传播，使之使用范围受到限制。此外还有兰姆波，由于笔者在实验中没有验证过所以不做叙述，有兴趣着可以自己查阅相关资料。超声波在介质中的传播速度以下简称声速，本文中的声速特指超声波在对应介质中的传播速度。声速依赖于介质的密度与其弹性模量，因此，对特定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。液体中纵波声速为： k
3、V气体中纵波声速为 0P固体中纵波声速为 EV传感器技术与应用 福州大学 应用物理学 祝张 学号： 110800730 tel：132550565662其中，k 为体积弹性模量； 为介质密度； 为热容比；E 为杨氏模量；气体压强； 为一比例常数，与固体的形态有关。例如，当固体为一细棒时0P接近于 1。通常在气体中的声速为 344m/s，液体中的声速为 9001900m/s。超声波的方向性很好，在传播过程中遵循反射和折射定律。这部分内容读者可参照光的反射与折射，值得指出的是在超声波的内容中我们不涉及折射率的概念，请读者使用声速带入就可以得出如下公式：0sinsioV其中 为入射声速和入射角； 为
4、出射声速和出射角。此式同时适用iVo于反射和折射定律，读者可自己稍作证明。由于超声波传播过程依赖的是机械振荡，所以在传播过程中伴随着能量的衰减，其衰减遵循指数函数规律。由于应用时通常不会用这条原理去计算其衰减，反而更普遍采用直接试验测定的方式。超声波传感器：现在大家使用的超声波传感器一般是通过机械振荡与电平振荡之间的相互转变从而实现超声波的产生、放射和接受。简而言之，超声波传感器是实现声电装换得一种装置。在超声波产生和发射端实现电信号到声信号的转换，而接收端则实现声信号到电信号的转换，所以通常超声波传感器成对出现。实现换能的原理是法拉第电磁感应定律。我们知道运动的导体在磁场中会产生感应电动势，
5、我们称之为动生电动势。导体在变化的磁场中也会产生感应电动势，我们称之为感生电动势。利用这两个可逆的现象我们制作出了超声波传感器。超声波传感器的应用：超声波传感器在工业生产和生活中有着诸多领域的应用，主要有以下几点：1、利用超声波检测物体厚度2、利用超声波确定液位高度3、利用超声波探伤4、利用超声波测量温度5、利用超声波测距6、利用超声波诊断辅助治疗其中各点不做细讲，本文重点在于下超声波测温系统的设计，为大家对超声的特点有更加深刻的认识和体会。传感器技术与应用 福州大学 应用物理学 祝张 学号： 110800730 tel：1325505656632、智能超声波测距、气体测温系统的设计超声波气体
6、测温原理：在一定温度下，声速是一个常数。它依赖于气体的静态压强、热容比和密度。而这三个量都和温度相关。通过如下公式推导有： RTVP00体 体MPV2为气体摩尔体积，M 为气体摩尔质量，T 为温度。体该过程将超声波的传播认为是绝热过程，其中 ，R 是气体常数，vpC/可得 ，于是我们只要去确定比例系数之后确定测出 V 就能得出温度了。2VT下面开始我们系统设计：以上是我们采用原理图。我们能够得到近似的公式 ，通常我们22dls要测量的温度是室内的温度所以 l 的长度是足够的。其实如果 object 是墙的话那么我们的公式就不存在近似了。同时通过原理图，读者也都猜出我所采用的方案了吧？没错，我将
7、采用脉冲传播时间测量法。当然之所以采用这个方法的原因是我选择使用 51 单片机来实现控制和计算，采用这个方案最容易实现。相比于脉冲回鸣法和相位比较法更能显示出智能的一面，并且可以同时实现测温测距双重功能。(1)超声波测温。制作出的 d 是固定的，l 也可以通过米尺测量好。于是我们可以求得 s。声速 v 就等于两倍的 s 除以时间 t。同过 51 输出 40kHz 的方波，经过一个放大器再送给超声波发送端，超声波发送端将电信号转换为声信号向外传感器技术与应用 福州大学 应用物理学 祝张 学号： 110800730 tel：132550565664辐射，遇到物体反射回来由超声波接收端接收并将声信号
8、转换为电信号，经过放大器给 51 中断。整个过程会有时间差，需要找一个精度高一些的温度计进行校准。从而可以得到测温的功能。(2)超声波测距。在不同的温度下声速是不一样的，所以我们先测定环境温度，正好可以用上前面的功能了。根据不同温度下声速与温度的关系拟合出函数V(T)。接下来的步骤类似于(1) ，当然最后别忘了校准一下。系统的优缺点：优点是测距和测温相互迭代，可以保证精度。这一点也是本人设计之后才发现的。缺点就是选择 51 单片机，在一定程度上限制了精度。在整个系统中本人没有给出显示模块和键盘模块的内容，这些都是作为系统设计的必修课相信读者都可以很好的自行设计和补充。用单片机输出 40kHz 的方波信号影响工作效率，读者可以尝试使用 555 设计一个振荡模块以提高系统的工作效率，但是如此会减少程序的工作本人表示反对。还有就是所谓的提高效率是错误的，而且好浪费了一片 555 不明智。在电路结构上或许还有其他问题，有什么建议和想法的请联系本人，我们可以相互探讨。我的邮箱是： 地址：福州大学新校区 16#515。参考文献：1 周继明，江世明等 传感器技术与应用 中南大学出版社，20092 蔡美琴等 MCS-51 系列单片机系统及其应用 高等教育出版社 2004姓名：祝张学号：110800730指导老师：翁卫祥2011 年 11 月
