超声波传感器原理.doc

超声波传感器原理
[日期：2007-06-05]
来源：  作者：
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    超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。
    接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。
超声波传感器原理与应用
2008-04-18 02:40

超声波传感器原理及应用
信息来源：转载 　发布时间：2008-01-02　字号：小 中 大
关键字：超声波传感器　

　　1、遥控开关超声波遥控开关可控制家用电器及照明灯。采用

　　2、液位指示及控制器由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低则信号就小。接收到的信号经BG1、BG2放大，经D1、D2整流成直流电压。当4.7KΩ上的电压超过BG3的导通电压时，有电流流过BG3，电流表有指示，电流大小与液面有关。A点与上图A点相连接。当液位低于设置值时，比较器输出为低电平。BG不导通，若液位升到规定位置，比较器翻转，输出高电平。BG导通，J吸合，可通过电磁阀将输液开关关闭，以达到控制的目的（高位控制）。
超声波传感器
信息来源：　发布时间：2007-11-27　字号：小 中 大
关键字：超声波传感器　传感器　压电陶瓷超声传感器　超声波距离传感器　
超声波传感器的测距系统设计图
信息来源：中国超声波　发布时间：2008-03-17　字号：小 中 大
关键字：超声波传感器　
　　安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提，超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了senscomp公司生产的polaroid6500系列超声波距离模块和600系列传感器，微处理器采用了atmel公司的at89c51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。

　　1、超声波传感器及其测距原理

　　超声波是指频率高于20khz的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。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或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

　　超声波测距的原理一般采用渡越时间法tof（timeofflight）[2]。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即

　　1、硬件电路设计

　　我们设计的超声波测距系统由polaroid600系列传感器、polaroid6500系列超声波距离模块和at89c51单片机构成。

　　2.1polaroid600系列传感器

　　此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4khz、电压为300vacpk-pk的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4khz的超声波。当接收回波时，polaroid6500内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4khz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。

　　polaroid600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角[3]，如图1所示：

　　超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为d，则在d时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。此超声波最近可以测量37cm。

　　2.2polaroid6500系列超声波距离模块

　　polaroid6500系列超声波距离模块的硬件电路如图2所示：

　　tl851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。内部有一个420khz的陶瓷晶振，6500系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前16个周期，陶瓷晶振被8.5分频，形成49.4khz的超声波信号，然后通过三极管q1和变压器t1输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4.5分频，以供单片机定时用。tl852是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，tl852主要提供了放大电路，当tl852接收到4个脉冲信号时，就通过rec给tl851发送高电平表明超声波已经接收。

　　2.3at89c51单片机

　　本系统采用at89c51来实现对polaroid600系列传感器和polaroid6500系列超声波距离模块的控制。单片机通过p1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测int0引脚，当int0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。超声波测距的硬件示意图如图3所示：

　　3、系统软件设计

　　系统程序流程图如图4所示：

　　工作时，微处理器at89c51先把p1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器t0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描int0引脚，如果int0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。

　　4、实验数据处理

　　由于受环境温度、湿度的影响，超声传感器的测量值与实际值总有一些偏差，表1列出了本超声测距系统测量值与对应的实际值：

　　表1超声测距系统测量值与实际值单位：cm

　　从表中的数据可以看出，测量值总是比实际值大出大约7cm，经过分析原因主要有三个方面：第一方面，超声波传感器测得的数据受环境温度的影响；第二方面，指令运行需占用一定的时间而使得测量的数据偏大；第三方面，为了防止其他信号的干扰，单片机开始计数时，驱动电路发送16个脉冲串。对于单个回声的方式，当驱动电路接收到碰到障碍物返回的第四个脉冲时就停止计数，所以最终测得的时间比实际距离所对应的时间多出四个脉冲发送的时间。为了减小测量值与实际值的偏差，我们采用最小二乘法[4~5]对表1的数据进行修正。经过拟合，我们得到下面的方程：

　　y=1.0145x-9.3354（其中：y为实际值，x为测量值）

　　修正后本超声波测距系统测量值与实际值的对应关系如表2所示：

　　表2修正后超声测距系统测量值与实际值单位：

　　从修正后的数据我们可以看出，系统的测量误差在±2%以内，满足我们的测量要求。

　　5、结论

　　利用超声波传感器进行测距，其中主要的就是要保证在电路设计上一定要满足电路工作的可靠性、稳定性。经过实验与分析，我们认为用6500系列距离模块和600系列超声波传感器进行距离的测量简单、经济、可靠，测得数据的误差比较小
机器人上使用超声波传感器的原理
作者：Ricky   文章来源： www.RoboticF    更新时间：2006年07月21日   打印此文    浏览数：
超声波传感器的原理？
超声波传感器是用来测量物体的距离。首先，超声波传感器会发射一组高频声波，一般为40-45KHz，当声波遇到物体后，就会被反弹回，并被接受到。通过计算声波从发射到返回的时间，再乘以声波在媒介中的传播速度（344 米/秒，空气中）。就可以获得物体相对于传感器的距离值了。
声波换能器特性
声波换能器就好比一个喇叭，能将电流信号转换成高频声波，或者将声波转换成电信号。（其实多数喇叭都可以当作话筒用，不信大家可以去试一下，用喇叭代替麦克风，也是可以的，只不过麦克风将声波转化成电信号的能力比较强一点。所以，更加灵敏一点。）
换能器在将电型号转化成声波的过程中，所产生的声波并不是理想中的矩形，（图1-a），而是一个类似花瓣一样形状，参见（图1-b，c）：

图1：声波特性
值得一提的是，在实际应用中，产生的波形应该是三维的，类似柱状体。
对于机器人的应用来说，超声波传感器主要用来探测物体的距离以及相对于传感器的方位，以便可以进行避障动作。最理想就是矩形，不但可以准确的获得物体的距离值，也可以准确的获得方位值，就是正前方。但是实际上，超声波的波束根据应用不同，有宽波束，和窄波束。宽波束（图1-b）的传感器会检测到任何在波束范围的物体，它可以检测到物体的距离，但是确无法检测到物体的方位，误差最高会有100度左右，机器人将无法准确的确定其避障的动作。当然，作为只要探测物体有或者无的用途来说，宽波束的传感器是比较理想的。同理，窄波束可以相对宽波束获得更加精确的方位角。在选择超声波传感器的时候，这个波形特性是必须要考虑的。
超声波的问题
超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。
反射问题：
如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。图二给出了几个例子。

图2：声波反射
图2.a中的情况叫做三角误差，当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差。
图2.b中的情况叫做镜面反射，这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。
图2.c中的情况可以叫做多次反射。这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。
这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。
噪音：
虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。
这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。
交叉问题：
交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的，如图3所示。

图3：交叉对话问题
超声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和Y获得，这时Z和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。
解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。
  既然换能器发出的声波是瓣状,那在考虑反射问题引起的误差时为什麽只讨论中轴上的波束的反射情况,而不需要讨论其他方向上的波束呢?像图2.a,在超声瓣内偏离中轴方向的波束可以更早地反射回来,实际测量到的距离会更短吧? 解决三角误差的方法是是安装的7个传感器,松下的更狠50个.可是还是搞不动如何排列才能解决这个问题.
不知道;楼主能不能给解说一下请问可以编码发送一组长短不同的音波，请问是指频率还是指振幅，我不是学这方面的，很多不太懂，但是我们做毕业设计要用到超声波传感器，希望多多指教！！谢谢
恩，这个方法是挺不错的，也一直在用！我封装腔体用的就是硅胶，一定程度上会增大传感器的震动阻尼，但是有个弊端，会降低传感器的灵敏度！不知道改变消音材料会不会能够有效果？楼主有没有好的消音材料推荐？另外，我现在设计的这款传感器是高频超声传感器，做汽车倒车雷达探头用，因此表面会做喷漆或烤漆处理，不知道漆材会不会对传感器的余震有影响！谢谢，盼回复！[/b]