超声波探测过程简析及超声波传感器实际应用.doc

超声波探测的过程简介和超声波传感器实际应用电子信息工程学院 摘要首先，简要介绍超声波探测的工作原理和步骤。其次，超声波传感器的介绍，超声波传感器已经广泛的而应用到各个领域当中，而且已被应用到高尖端技术当中，其中以机器人为例。最后，在JDUT-2型超声波实验仪和OS-620型示波器的实际操作和应用当中，需要注意许多问题如波形的寻找，探头放置位置，示波器的读数问题，结果的有效数字（上一阶段实验的基本内容得到充分的复习）。关键词超声波 探测 超声波传感器 机器人 总结背景 自1830年F.Savart用一个多齿轮第一次人工产生了超声，人类便开始利用超声波进行检测，1916 年第一次世界大战期间 P. Langevin 领导的研究小组开展了水下潜艇超声侦察的研究，1929 年俄国学者 Sokolov 提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，以后美国科学家Firestone 使超声波无损检测成为一种实用技术。从超声波的发展史可以看出超声波的探测发挥了主导作用，更有着深远的发展前景。实验过程简介1 声束扩散角的测量在同一深度位置，中心轴线上的能量最大，当偏离中线到位置 A、A时，能量减小到最大值的一半。直探头扩散角为： 斜探头扩散角为： 2 直探头探测缺陷深度采用绝对测量方法： 3 斜探头测量缺陷的深度和水平距离超声波探测实际应用超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器用来测量物体的距离。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。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，在质检方面的应用超声波探伤仪。超声波传感器应用机器人超声波优点：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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。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。超声波在机器人中的应用 为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。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。然而，根据机器人的功能的不同，超声波传感器以不同的方式装入机器人中，但原理不便。应用拓展：全自主足球机器人的超声波定位避障系统，液下机器人超声波定位系统，排爆机器人超声波视觉传感器，FLGLA超声波感应全自动清扫机器人消防机器人超声波的壁障系统等等。实验过程中问题经验总结斜探头产生波形的查找与探头位置利用斜探头测量其延迟和试块横波声速时，探头的斜射声束能过同时入射在R1和R2，可以同时观测到两个弧面的回波B1和B2，值得注意的是两波波形同时应为最大。以此为基础，在超声波探测中，斜探头扩散角的测量，对缺陷深度的测量需要考虑到探头的放置和波形的查找，可以根据斜探头延迟的测量，粗略的测量斜探头到反射面的距离，根据此距离进行比照，找到在示波器显示屏中所需波的大致位置，可以找到斜探头扩散角的测量，对缺陷深度的测量时的大致范围此为粗略寻找；之后精细查找：根据其波形特点，在声速扩散角测量中左右平移斜探头，波形幅度减小此波即可找到；对于深度测量时，斜探头左右平移波形会消失。直探头产生的波形查找探头位置直探头的放置较为方便，探头位置垂直放置于测试点正上方（在整个实验过程中应如此，特殊情况除外）。对于波形在示波器显示屏中位置的查找与斜探头类似，可以利用测量直探头延迟时的波形位置，初步估算所测波形的位置；之后小范围的搜索，对于测量声束扩散角，缺陷深度来说，左右平移，看波形的存在与否，实现波形的查找。实验数据 在整个实验中遇到了实验数据的读法和处理问题示波器的读数注意最小分度值和有效数字的取法直接测量值与间接测量值。实验建议：超声波探测斜探头测量缺陷深度和水平距离，斜探头先后对正A和B找到最大回波，测量得到回波时间tA和tB和探头前沿到试块边沿的水平距离xA和xB,此数据仅测一次是否不够精确呢？解决办法：测量三次求其平均值。然而考虑到运算量的问题，可否利用实验5.4.2固体弹性常数的测量斜探头折射角的测量的数据进行计算呢？超声波成像此应用有助于加深同学们对超声波原理的理解，但是由于所需数据过多数据测量工作量大，可否考虑缩小试块大小，减少测量数据个数，将超声波成像列为专题之内。可否对超声波进行更深一步的研究，如电子方面作为更深一步的专题研究。参考资料大学物理实验 高等教育出版社 大学物理实验讲义 北京交通大学出版社大学物理 北京交通大学出版社大学物理实验网络课程 中国科学技术大学 结论：本实验综合性较强，应用到了第一阶段的基础知识如数据处理和示波器的使用。通过实验充分掌握超声波的基本特性，尤为重要的是关于超声波的探测，和根据超声波基本特性（主要是超声波探测性质）研制成的传感器，更有着极大的发展前景，它为超声波的研究指明了方向。