. . . . 撰写人：硕1 引言我们生活的世界充满了各种可听的声信号。在科学史上，人们很久以前对声音信号就有了认识，声学是最早发展的学科之一。我国两千多年前的先时期，在乐律和乐器的研究方面，对声学的发展做出了重要的贡献。在国外，19世纪，声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。然而由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。 现代声学已经涵盖了从10-4Hz1014Hz的频率围，相当于从大约3小时振动一次的次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动，即跨越了1018量级的宽广频段。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。现代科技的迅速发展对检测技术提出了更高的要求，各种计量检测技术都向非接触、高灵敏度、智能化、微型化方向发展。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。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。不仅在工业中，在日常生活中超声测距也有着广泛的应用。本设计就是一种利用超声波作为媒介的测距装置，它能够通过单片机的控制来进行测距并可以数码显示。其优点是使用方便，精度高，可编程控制，可用于危险场地等的非接触式测距。2 超声技术的发展与应用2.1 超声技术的发展利用超声波测量己知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距法。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御与捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检侧、机器人检测和定位、以与流体液面高度测量等。 超声的研究和发展与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电瓷、人工压电单晶、压电半导体以与塑料压电薄膜等。近年来，为了物质结构等基础研究的需要，超声波的产生和接收还在向更高频率(10赫兹以上)发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜，就可获得数百兆赫直至几万兆赫的超声；利用凹型的微波谐振腔，可在石英棒获得几万兆赫的超声。此外，用热脉冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法，产生或接收更高频率的超声。2.2 超声波的应用 超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，可以超声为工具，来检验、测量或控制各种非声学量与其变化的。从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的容，而使自己更加丰富。近些年来,随着超声技术研究的不断深入,再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点,超声的应用变得越来越普与。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位，医学上以人体为检测对象的超声医学诊断，如超声显微镜、超声成像，以海洋探测与水下目标识别为目的的水声应用等，也归于此类。而我国关于超声波的大规模研究始于1956年，迄今，在超声的各个领域都开展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。 超声在测量领域中的各种应用从被测对象来分,目前超声在测量中的应用主要由以下几个方面:厚度的超声测量:目前超声测厚法有共振法、干涉法、脉冲回波等几种。其中,脉冲回波法是广泛得到应用的一种。流速和流量的超声测量:超声测量流量在许多方面都有应用,譬如在石油化工工业生产过程中流体流量的控制和监督,在水力电力部门对流量的连续测定以与医学上血流的测量等。温度的超声测量:超声测温大多数是以气、液、固三态介质中温度和声速的相关性为理论基础的。由于声速与温度有关,因此可以根据声速在介质中的变化来确定介质温度。超声测温法可以用来测量超低温和超高温。距离的超声测量:超声测距是目前超声在测量领域中的一个广泛应用。本设计所研究的也正是如何利用超声波进行距离的测量。粘度的超声测量:在一般情况下,超声波粘度计是利用粘性液体对振子的切变阻抗来测量粘度的,粘度测量方法有多种,但其中扭转石英和磁致伸缩这两种方法比较优越。除以上几种外,超声还可以用来测量浓度、密度、硬度等。2.3 超声测距的优点与其他测距方法目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距。相比之下，超声波方法在这些领域具有明显突出的优点：a).超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明与漫反射性差的物体（如玻璃，抛光体b). 对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗，有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中c). 超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近目标的距离。纵向分辨率高d). 超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化e).超声波因其波长短，束射性强而易于控制f).超声波具有波动性和能量二重性通过与红外线技术与光电技术和激光技术等测量方法的比较可见，超声波技术在测量领域具有相对的优势。由于超声有很好的指向性，超声在某种媒质中的传播速度较为恒定，因此，超声最常用的功能是距离测量与定位。由于超声测距的是一种非接触的测量方式，和红外、激光与无线电测距相比，超声测距有结构简单、成本较低、不易受光线、烟雾、电磁影响等优点，而且红外线、光电技术和激光技术的传播速度，快而超声传播速度仅为光波的百万分之一，所以超声波技术更适合直接测量较近距离的物体。综上所述，在某些特殊情况下超声测距是其他测距方式不可替代的。目前，超声波作为一种信息载体，它已在工业检测、海洋探查与开发、无损评价与检测、医学诊断、地质结构探测与微电子学等领域发挥着不可取代的独特的作用。与此同时，超声波作为一种能量形式，通过它与传声媒质相互作用，而产生种种效应，已在物理、化学、生物与医学等基础研究和应用技术开发中展示出十分广阔的前景。3 超声波数字电子尺装置的实现原理3.1 超声数字电子尺的设计思想与超声的传输特性经过上述分析，可见超声波在测距方面有着很大的优势，所以本测试仪选择超声波做测距媒介。本设计构思利用脉冲回波法测量距离的原理来设计超声波测距装置。当发射的超声波遇到障碍物时就会发生反射，接收探头就会接收到反射回的超声波。所以只要测定超声波从发射到接收所用的时间t，那么超声波从探头发射到达反射面的时间就是t/2, 从超声波探头到反射面之间的距离S就可由下式计算：S=Ct/2 (1.1)具体如下所示：超 声 波探 头 S t 图2.1 超声测距示意图在上图中：S 超声波探头与反射面之间的距离。C 探头发射的超声波速(331.4m/s)。t 超声波从探头发射到探头接收到超声波所用的时间。其中，超声波的波速可以根据温度传感器送入的数据进行修正。3.1.1超声波在空气中的传播速度在任意情况下的一般气体，即使在线性声学条件下，其声速表达式也颇为复杂，它与气体的分子量，比热和物态方程等多因素有关。这种严格的表达式一般用于声速的精确计算和测量等，在一般的工程问题中，只需给出理想气体声速的表达式如下：（1.2）式中：R 摩尔气体常数T 绝对温度M 气体的分子量r 气体的定压比热Cp与定容比热Cv之比 空气中的超声波声速，在温度T为273.16K，P0为0.1MPa，含有0.03摩尔的二氧化碳且无水分时采用如下数据C0=（331.45+0.05）m/s （1.3） 在其他条件保持稳定时，气体的声速随温度的变化为正温度系数。计算不同温度时空气中的声速可用下式： （1.4）式中：C0=331.45 m/s ；T0=273.16 K所以波速在本设计中相当于是已知的，所以只要测出传输的时间就可以算出距离来。而测量时间是很容易实现的，本方案以单片机ATMEL 89C2051为核心，通过对其进行软件编程，实现该单片机对其外围电路的适时控制，并提供给外围电路各种所需的信号，包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于是采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去，而我们在设计电路板时就可以根据自己的设计目的焊接元件。该方案的整个硬件电路可用图2.2表示 超声波 接 收门控电路施密特 整 形 信号 放大 40K振荡频率门控频率超声波发 射AT89C51信号整形数码显示计数频率、温度补偿图2.2 硬件电路方框图本设计中用到三种频率。是超声波的中心频率(40kHz)。二是门控信号频率， 经验设为2kHz。这样从单片机Pl_3端输出的时钟脉冲频率f=2kHz， 周期T=1/f=50ms， 经微分和限幅二极管的限幅后，变为正向尖脉冲， 再由两个LM741整形，便得到高电平宽度为0.25ms的脉冲信号，该脉冲控制与非门的开启。经U1驱动超声发射器MA40LIS发出0.25ms/0.025ms10个脉冲， 即从Pl_3输出时钟脉冲的每一个周期，超声发射器便发射出脉冲数为1O的脉冲串(1/40kHz=0.25ms)。三是单片机送出来的计数频率，根据超声波测距精度为lmm，超声波发射器的声波传播到反射物， 再由反射物反射到接收器，所传播距离为2倍测量距离的计算得出。声波在标准气压下15 的传播速度为34lm/s，要设计一个时钟周期超声波传播距离为0.002mm，3410.002m=17O.510kHz，故一个时钟周期所测距离便为0.001m，N个周期所测的距离为N0.001m。若软件编程能保证单片机在启停时三个频率信号同步，就具备了精确计数的最基本条件。用单片机来控制发射电路的输出频率，产生40kHz的超声波。在这里还存在一个问题，就是超声波不能一直发射，而只是发射一串，因为要识别接收回来的超声波信号，就必须在接收时保证探头此时不在发射状态，而是处在等待状态。因此发射脉冲的时间太长不行，否则会在这段时间不能接收；时间太短也