超聲波傳感器對(duì)用戶(hù)距離的探測(cè)分析

王光祥 王意修

[摘 要] 通過(guò)對(duì)超聲波傳感器的組成、工作原理進(jìn)行闡述分析，證明系統(tǒng)具有測(cè)量盲區(qū)小、遠(yuǎn)近距離測(cè)量較穩(wěn)定、精度符合工程指標(biāo)的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)其他傳導(dǎo)介質(zhì)的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超聲波具有測(cè)量盲區(qū)小、測(cè)量精度較高的優(yōu)點(diǎn)。超聲波傳感器運(yùn)用在電動(dòng)輪椅、導(dǎo)盲等多領(lǐng)域市場(chǎng)廣闊。

[關(guān) 鍵 詞] 超聲波傳感器；用戶(hù)距離；超聲波

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP212 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）04-0092-01

一、超聲波的概念

（一）超聲波的特點(diǎn)

超聲波在科研機(jī)構(gòu)中應(yīng)用非常廣泛，主要是因?yàn)樗哂蓄l率高、高強(qiáng)度的束射特性和方向性，并且它還可以實(shí)現(xiàn)定向傳播，能量和同振幅的聲波相比較，具有很大的優(yōu)勢(shì)，并具穿透能力，廣泛運(yùn)用在測(cè)距系統(tǒng)中。如果說(shuō)束射性是超聲波測(cè)距儀廣泛被采用的原因之一，那么其服從幾何光學(xué)的反射、折射性能也是必不可少的因素。在均勻介質(zhì)中超聲波按直線傳播，遇到他類(lèi)介質(zhì)時(shí)，也像光波一樣產(chǎn)生反射和折射，但能量及波型都將發(fā)生變化。

（二）超聲波反射、透射能量及擴(kuò)散衰減

我們知道兩種介質(zhì)聲阻抗的特性決定了在物體或者液體等界面上的透射能量與反射能量的變化。而且其反射波的反射強(qiáng)度大小與這兩種介質(zhì)的聲阻抗特性差成正比關(guān)系，即：特性差越大，反射強(qiáng)度也越大；特性差越小，反射強(qiáng)度也越小。選擇一個(gè)例子就可以很容易看出來(lái)，空氣的聲阻抗特性比鋼要大10萬(wàn)倍，由此得出超聲波幾乎不通過(guò)鋼與空氣的界面全部反射。從而我們可以很清楚地得出，當(dāng)超聲波在傳播過(guò)程中，傳播距離越長(zhǎng)時(shí)，能量衰減也越大。超聲波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中由于波的擴(kuò)散、漫射或者被吸收的大小決定了能量的衰減大小，并且衰減的大小與距離的長(zhǎng)短呈正向遞減關(guān)系。介質(zhì)的不均勻分布是造成散射衰減的一個(gè)重要原因，當(dāng)超聲波被一些介質(zhì)吸收后會(huì)把聲能變換為熱能，所以會(huì)產(chǎn)生能量損失。

二、超聲波傳感器測(cè)量的原理

超聲波傳感器的構(gòu)成非常簡(jiǎn)單，基本上由接收電路和發(fā)射電路組成，主要的檢測(cè)方法是超聲波。而超聲波換能器的作用是把外界傳遞過(guò)來(lái)的超聲波變換成電量形式輸出。在日常生活中，用戶(hù)最常用的一種超聲波傳感器是壓電式傳感器。它由兩個(gè)部分構(gòu)成：分別是接收探頭和發(fā)射探頭。而探頭正是利用壓電陶瓷等材料經(jīng)過(guò)其壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。那么，什么是逆壓電效應(yīng)呢？一般情況下我們把高頻電振動(dòng)變換成高頻機(jī)械振動(dòng)所生成的超聲波，作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)把接收到的超聲振動(dòng)波變換成電信號(hào)來(lái)作為超聲波的接收器。當(dāng)超聲波測(cè)距傳感器想要測(cè)量距離的時(shí)候，就會(huì)發(fā)出超聲波，并且與此同時(shí)進(jìn)行的還有定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)算時(shí)間。我們非常清楚當(dāng)超聲波在空氣中傳播碰到障礙物的時(shí)候，它會(huì)反射回來(lái)。并且其接收電路構(gòu)成的接收器接收到反射波后就會(huì)立即停止計(jì)算時(shí)間。超聲波正常情況下在空氣中的傳播速度是340 m/s，再把計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間加上就可以計(jì)算出超聲波所用的總時(shí)間T，那么，由公式S=340 T/2我們就很輕松地計(jì)算出兩者之間的距離。

三、超聲波測(cè)距儀的應(yīng)用

第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所李姝穎團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于超聲波傳感器的典型示例，視覺(jué)受損人群的安全問(wèn)題對(duì)于科技產(chǎn)品的研發(fā)是一個(gè)很大的市場(chǎng)，于是導(dǎo)盲系統(tǒng)孕育而生。超聲波傳感器以TCT40-16T/R為基礎(chǔ)，單片機(jī)AT89S52為核心數(shù)據(jù)控制處理中心，通過(guò)C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)滿足了盲人體積小、功耗低、操作方便、探測(cè)范圍大等要求，順利幫助盲人快速通過(guò)復(fù)雜環(huán)境，對(duì)出行不便的殘疾人群具有重要意義。煙臺(tái)南山學(xué)院徐向美，針對(duì)市場(chǎng)上傳感器的種類(lèi)很多，電動(dòng)輪椅車(chē)上一般為紅外傳感器、激光式傳感器，具有測(cè)試距離短、夜間測(cè)試誤差大的缺點(diǎn)，嘗試安裝超聲波傳感器，敘述了電動(dòng)輪椅上超聲波傳感器的優(yōu)點(diǎn)，其檢測(cè)的范圍廣，對(duì)人體無(wú)傷害。特別在夜晚等光線較暗的環(huán)境中，無(wú)需輔助光源，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)方便有效。

四、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)共由兩個(gè)電路組成，它們分別是接收電路和驅(qū)動(dòng)電路，其作用是為了更加準(zhǔn)確地測(cè)算距離。通過(guò)特殊處理后可以實(shí)現(xiàn)0.01 m的分辨率，并且可以顯示和測(cè)量的物體距離范圍為0.02～5 m左右。此類(lèi)系統(tǒng)對(duì)于用戶(hù)有很大的應(yīng)用價(jià)值，它不僅有很高的精度和靈敏度，而且它的應(yīng)用范圍比較廣，可以應(yīng)用于液面和物體表面的測(cè)量。

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