毕业设计（论文）基于单片机的超声波液位测量系统.doc

摘 要超声波液位测量是一种非接触式的测量方式,它是利用超声波在同种介质中传播速度相对恒定以及碰到障碍物能反射的原理研制而成的。与其它方法相比(如电磁的或光学的方法),它不受光线、被测对象颜色的影响，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此，研究超声波在高精度测距系统中的应用具有重要的现实意义。 本设计基于单片机的超声波液位测量系统主要由硬件与软件两部分组成，硬件是基于AT89C51芯片为核心的超声波液位测量，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，给出了超声波发射和接收电路，通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。利用超声波传输中距离与时间的关系，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。 并有超声波处理模块CX20106A、CD4069组成的超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LED显示电路、报警电路等。软件部分由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序组成。各探头的信号经单片机综合分析处理。最后通过实物的调试，各项参数及功能符合设计要求，能达到预期的目的。 关键词： 单片机;超声波;温度控制;高精度测距AbstractThe ultrasonic liquid level measurement is a non-contact measurement method, realized by the principle of ultrasonic wave in the same medium with relatively constant propagation velocity and being reflected when it approaches an obstacle. Compared with other methods (such as electromagnetic or optical method), it has a certain of adaptability when objects to be measured are under such harsh environment as darkness, dust, smoke, electromagnetic interference, toxicity, unaffected by the light or the color of the object to be measured. Therefore, it bears important practical significance to conduct research on the application of ultrasonic wave in high precision ranging system.In this project, SCM-based ultrasonic liquid level measuring system is mainly composed of two components, namely the hardware and the software. The hardware is ultrasonic liquid level measurement based on AT89C51 chip as the core; it adopts AT89C51 single chip microcomputer for control and data processing, provides the ultrasonic transmitting and receiving circuit, and improves ranging accuracy through elimination of blind spot and sampling of ambient temperature,. By taking advantage of the relationship between distance and time in ultrasonic transmission, an ultrasonic liquid level detecting system which can accurately measure the distance between two points is designed. This system has these advantages like easy control, reliable operation, high measurement precision, and real-time detection of liquid level. And it has ultrasonic transmitting and receiving circuit, reset circuits of SCM, LED display circuit, alarm circuit composed of ultrasonic processing module CX20106A and CD4069. The software part consists of main program, preset subroutine, transmitting and receiving subroutine, and display subroutine. The probe signal is processed by SCM through comprehensive analysis. Finally through debugging of real objects, various parameters and functions can meet the project requirements to achieve the desired objective. Key words: single chip microcomputer (SCM); ultrasonic wave; temperature control; high precision ranging目 录第一章 绪 论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外发展的现状31.3 液位计的类型31.4 本文的主要工作5第2章 系统的总体方案设计72.1 系统设计内容和功能72.2 课题设计的任务和要求：72.3 系统方案选择82.4 系统总体方案的设计82.5 超声波和超声波传感器92.6 超声波传感器的主要应用102.7 超声波传感器测距原理102.8 超声波测距原理122.9 超声波发生器选择122.10 盲区处理14第3章 各单元硬件电路设计163.1 单片机最小系统电路163.2 温度补偿电路设计183.3 超声波发射电路设计193.4 超声波接收电路设计203.5 显示电路设计223.6 电源电路设计223.7 LED显示系统设计233.8 报警电路设计24第4章 系统软件的设计264.1 超声波测距仪的算法设计264.2 主程序流程图264.3 系统软件设计框图294.4 单片机的C程序设计314.5 系统的软硬件的调试394.6 调试分析394.6.1 LED显示程序的调试394.6.2 温度测量程序的调试40第5章 结论41参考文献42致谢44附录45附录54附录55第1章第一章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义 目前，液位测量技术已经广泛的运用在工业部门和日常检测部门中。例如：液位测量技术在石油、化工、气象等部门的应用。在测量条件和环境来说，有的测量系统被运用在十分复杂的条件与环境中。例如:有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。这些都大大的提高了对测量技术的要求。所以能实现测量的无接触与智能化是液位测量计现在的主要发展方向。近年来，随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。在现代工业生产中，常常需要测量容器中液体的液位。在一般的生产过程中，液位测量的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据;另外还为了在连续生产的情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。液位的测量在工业生产过程中的作用已经相当重要。随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。这些领域使用传统的液位测量手段已经无法满足对其精确性的要求，所以超声波液位测量这种新的测量方向已经成为一种新的手段被广泛的应用。在目前市场上，按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类3。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。非接触型液位测量主要有微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。超声波液位测量计就属于非接触型液位测量的一种，所以它也有不受被测介质影响，不影响被测介质，能适应粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶、高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等特殊介质的测量的特点，能适应的范围比其它的测量手段更广泛。随着科学的发展液位的检测方法也在变化，精度也有了更佳的提高。单片机技术和传感器技术的发展使液位测量方法得到了更进一步的发展。超声波在液位测量中的应用也越来越广，但是就目前的发展水平来说，超声波在测距系统中的应用还有一定的限度，因此研究超声波的液位检测是很有发展前景的。它在技术和产业领域具有广阔的发展空间。本次设计中，通过外界环境温度的检测提高了超声波测距的精度。通过延时避免了接收未经液面反射的超声波，其次利用温度传感器检测外界温度，采用当前温度下的超声波速度去计算，从而提高了距离计算的精度。在未来，超声波的液位测量将有更大的用途，更大的应用范围。它不但可以帮助人们解决很多生活中的困难，还可以作为科学探测和研究的手段。特别是水位的测量，可以帮助确定水位的高度，以便于其他工作的顺利进行。本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。其间通过单片机的控制，P1.0口输出控制信号从555振荡器输入到驱动电路驱动超声波发射电路，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。经过液面反射后超声波接收探头将接收到的超声波送到单片机进行处理。单片机通过各个引脚来实现和各电路模块的接口连接。并通过软件的设计来控制整个检测过程。一步一步，从发射到接收超声波，定时器的初始化，中断程序的编写，温度的采样，距离的计算，单片机都发挥了重要的最用。它是整个检测系统的内部核心。这次对超声波液位检测的设计获得了具有很大的成果和意义，在这个科学技术是第一生产力的时代，应用科学技术去解决生活中和工作的困难变得具有更高的价值。在设计中，我加深了对超声波的认识，对它的原理掌握的更好了。目前超声波已广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。此外我认识到单片机在各方面都有很大的应用潜能，在自动控制领域它更是发挥了不可替代的作用。本设计利用超声波实现液位的测量，检测方便，易于实时控制，达到了工业的要求，因此具有实际的意义和广泛的应用前景。1.2 国内外发展的现状 随着电子技术的发展出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2种方法由于技术难度大成本高一般仅用于军事工业而超声波测距则由于其技术难度相对较低且成本低廉适于民用推广。这项技术也可用于工业测量领域。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，因而超声波常常用于距离的测量，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。随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光芒、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机单片机毕业论文械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特殊是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很轻易检测出来，具有很高的分辨力，因而其正确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离。1.3 液位计的类型按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。一、接触型液位仪表：接触型液位仪表主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计。它们的共同特点是测量的感应元件与被测液体接触。1.人工检尺法：计量员上到罐顶，自计量孔投放测深钢卷尺，然后取出尺子，观测液面浸湿尺子的刻度，此为人工检尺法。人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等特点，但由于其是人工测量，故不适合在恶劣的情况下使用，另外需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，不仅如此，还容易造成人为的测量误差。2.浮子测量装置：它是由浮子、传感器和二次仪表组成，是通过用浮子测量浮力的大小定量测量液位，将该装置固定在罐中，使浮子立于罐中处于相对静止状态，浮子在罐中所受浮力的大小等于液体的排出量。当浮力的大小发生变化时，变化值通过浮子传递给传感器，经过二次仪表显示出液位的数值。浮子式液位装置具有结构简单、价格便宜等优点，但是浮子会随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。浮子测量装置的适用范围为非腐蚀液体的测量。3.伺服式液位计：伺服式液位计基于浮力平衡的原理，由微伺服电动机驱动体积较小的浮子，能精确地测出液位等参数。现代伺服液位计的测量精度己达到40m范围内小于士1 mm。但是，由于伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在机械磨损，影响了测量的精度，因此需要定期维修和重新定标且安装困难。4.电容式液位计：电容液位传感器是利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。与其他液位传感器相比，电容液位传感器具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。5.磁致伸缩液位计：磁致伸缩液位计采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油气界面。通常情况下，磁致伸缩液位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小一于油品的密度，另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界面和油水界面。磁致伸缩液位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，工作寿命较长。其测量精度较高，测量的重复精度也较高，是比较理想的接触型液位计。但是磁致伸缩液位计与被测液体接触，仪器容易受到腐蚀，且液体的密度变化会带来测量误差。此外，浮子装置沿着波导管的护导管上下移动，容易被卡死，从而影响液位的止确测量。二、非接触型液位仪表：非接触型测量仪表主要包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计、激光液位计以及光纤液位计等。这类液位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件与被测液体不接触，因此不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而适用范围较为广泛，可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。1.超声波液位计：超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经液体表面反射后被同一种传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。 由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精确的处理和分析：可以将各种干扰信号过滤出来;识别多重回波；分析信号强度和环境温度等有关信息。这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。超声波液位计不仅能定点和连续测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。同时，超声波液位计不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。新型气密结构、耐腐蚀的超声波传感器可测量高达15m的液位。2.雷达液位计：在罐顶安装天线，天线发射的微波是频率波线性调制的连续波，当回波被天线接收到时，天线发射频率已经改变。根据回波与发射波的频率差可以计算出物料面的距离。FMCW方式测量线路较复杂，从而测量精确度较高，同时干扰回波也较易去除，一般用于较高端的测量方案，但是安装比较复杂且价格不菲。3.射线液位计：核辐射放出的射线(如丫射线等)具有较强的穿透能力，且穿过不同厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来测量液位的。核辐射式液位计的核辐射源用点式或狭长型结构安装在油罐的外面，狭长型核辐射源检测元件也安装在油罐外面，可实现对液位动态变化的检测。除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子射线来测量液位。射线液位计安装非常方便，测量精度较高。因为它没有任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问颗。4.激光液位计：其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超声波。发射传感器发射出激光，照射到被测液面，在液面处发生反射，接收传感器接收反射光，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束很窄，在液位计中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位计非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。而缺点是对液面的波动很敏感，大罐内的油蒸汽，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。5.光纤液位计：光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。这类检测仪表一般具有体积小、重量轻、无动作部件、安装方便等优点、大多可适用于任何液体液位高度的检测与控制，特别适用于易燃、易爆、腐蚀性液体的检测。这类检测仪表检测精度高但正处于发展阶段尚未成熟。1.4 本文的主要工作 本文主要是针对类似油罐等封闭式液体的液位的测量，在考虑了各种液位测量方式后，根据前文所述，决定要超声波作为主要手段，采用脉冲回波测量法。此次设计采用反射波方式,超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的LED数码管。超声波发射电路主要由反相器CD4069和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R2、R3一方面可以提高反相器CD4069输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由震荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体管的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C16的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。超声波测距仪的软件设计主要有主程序、超声波发生程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序有较复杂的计算（计算距离时），所以控制程序可采用C语言编程。超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。超声波测距的算法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。第2章 系统的总体方案设计2.1 系统设计内容和功能本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。其间通过单片机的控制，I/O口输出控制信号从NE555振荡器输入到CD4069驱动电路驱动超声波发射电路，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。经过液面反射后超声波接收探头将接收到的超声波送到单片机进行处理。输出由LED数码管显示，通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。利用超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。利用所设计出的超声波液位检测系统，对液面进行了测试，采集当时的环境温度获得精确的速度，计算出液面距离。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。设计具体内容：(1)AT89C51主控单元电路(2)超声波发射电路(3)超声波接收电路(4)温度补偿电路(5)报警及显示电路2.2 课题设计的任务和要求：(1) 测量距离范围要求为9.99 m； (2) 精度要求1 cm；(3) 有温度补偿；(4) 显示方式为数码管显示；(5) 具有较强的抗干扰能力。(6) 盲区问题有一定的解决方法。2.3 系统方案选择为使基于单片机的超声波液位测量控制系统具有较好的实用性，并且具有较高的性能/价格比，对该系统的硬件电路作了精心设计。该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。按实现的功能来分可分为以下几个部分。其中AT89C51 单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。外围电路包括温度补偿电路、超声波发射及接收电路、报警及显示电路等等。方案一:我们可以用NE555振荡产生40KH的方波信号，它是基于硬件的基础上，便于我们可以通过示波器观察到40KH的方波，具有直观且易于观察的特点，有利于电路的检测。方案二:我们可以通过单片机产生40KH的脉冲信号，在通过CD4069驱动，将40KH的脉冲信号发射出去，由于是软件控制，准确度比较高。经过比较我们发现，在发射电路中方案一的设计是比较经济实惠而且比较方便，但方案二中的软件设计使发射超声波时间比较容易控制，而且超声波的频率准确度比较高，本设计要求测量精度在1cm以内，在方案二中我们通过采用CX20106可以将信号进行放大和整形处理，在CX20106的5脚和7脚串联一个200K的电阻可以将频率稳定在40KH。因此在本次设计中，我们选用的是方案二，以提高测量结果的准确度，并且在整个系统中我们都会采用单片机做计算和显示。2.4 系统总体方案的设计本设计基于单片机的超声波液位测量系统主要由单片机、温度检测电路、超声波发射电路、超声波接收电路、LED显示电路、报警电路等组成。本设计采用模块化设计思想，以单片机AT89C51为核心，将其他模块有机的整合在一起，形成一个统一的系统，硬件系统的框图如图2.1所示。报警系统超声波接收超声波发送 AT89C51 单片机LED显示温度检测555电路图2.1 超声波液位测量系统框图2.5 超声波和超声波传感器科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波的两个主要参数： 频率：F20K/Hz； 功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞空化核。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。 太小的声强无法产生空化效应。 一 、超声波的特性 （1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 （2）超声波可传递很强的能量。 （3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 （4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。二 、超声波的特点（1）超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 （2）超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 （3） 超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。2.6 超声波传感器的主要应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。2.7 超声波传感器测距原理超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。一 、超声波传感器的性能指标超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不会失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。二、 超声波传感器的结构超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz的情况下，是不可能达到此目的的。所以，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为2.6×107kg/m2s，而空气的声阻抗为4.3×102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻抗相匹配。这种结构可以使超声波传感器在高达数百kHz频率的情况下，仍然能够正常工作。2.8 超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。 图2.2 超声波液位测量示意图 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。2.9 超声波发生器选择超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用材料是压电式陶瓷。由于超声波在空气传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择高频率的传感器，而长距离测量时应用低频率的传感器。一 、超声波接收传感器及处理芯片CX20106A超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。灵敏度。主要