超声波测距.doc

目录第一章 前言11.1 超声检测发展综述11.2 超声传感器介绍21.2.1 超声传感器的原理及结构21.2.2 超声传感器的特性41.3 超声检测概述51.3.1 超声探伤61.3.2 超声测距的原理及实现7第二章 超声测距系统的总体构想102.1 超声检测概述102.2 系统主要参数考虑122.2.1 传感器的指向角122.2.2 测距仪的工作频率122.2.3 声速122.2.4 发射脉冲宽度132.2.5 测量盲区132.3 超声测距系统的总体构成14第三章 超声测距系统的总体方案163.1 发射电路的方案设计163.1.1 发射声波163.1.2 发射波形的数学模型163.1.3 发射电压163.2 接收放大器的方案设计173.3 检测单元的方案设计213.4 显示单元的方案设计233.5 语音提示的方案设计23第四章 硬件及软件实现264.1 单片机M68HC08264.2 系统硬件结构274.2.1 发射电路274.2.2 接收前置及带通放大电路284.2.3 程控放大电路314.2.4 检波及峰值采样334.2.5 第一门限比较(滑动门限)334.2.6 第二门限比较（脉宽比较）344.2.7 LED 显示电路354.3 系统软件结构364.3.1 主程序结构374.3.2 中断程序384.3.3 显示输出38第五章 实验结果分析及改进405.1 实验结果分析405.2 误差分析41结束语43第一章 前言高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发展，评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立40周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。1.1 超声检测发展综述我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管仪器。如英国的UCT-2超声波检测仪，重达24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的成果。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建筑部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS-10型仪器。1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg。七十年代，英国C.N.S公司推出仅有3.5Kg重的PUNDIT便携式超声仪。1978年10月，中国建中科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5Kg。同时研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。随着无损技术的不断深入，对超声波检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声波检测测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声波仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声波研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究学院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较稳定清晰，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试能容等基本情况一样，才可充分发挥其功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平1。1.2 超声传感器介绍1.2.1 超声传感器的原理及结构 超声传感器是一种将其他形式的能转化为所需频率的超声能或把超声能转化为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压力传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型包括气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体力型传感器称为“哨”或“笛”2。压力传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、契块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成成分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器3。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转化为相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接受。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压力材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷镜片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这用机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与机械波相同的电信号。A压电晶片图1.1 双压电晶片示意图B双压电晶片如图1.1所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方向相同时，则下面的方向相反。因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。双压电晶片的等效电路如图1.2所示，C0静电电容，R为陶瓷材料介电损耗并联电阻Cm和Lm为机械共振回路的电容和电感，Rm为损耗串联电阻5。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用电压材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声波传感器。 CmRmLmRC0AB 图1.2 双压电晶片等效电路超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭发射和接受超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外压电陶瓷晶片界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接受超声波。1.2.2 超声传感器的特性超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以SZW-S40-12M发射型超声波传感器为例说明。一 频率特性 0发射灵敏度(dB)95100105110115354045图1.3 超声波发射传感器频率特性 图1.3是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中，f0=40KHz为超声发射传感器的中心频率，在f0处，超声发射传感器产生的超声机械波最强，也就是说在f0处所产生的超声声压能级最高。而在f0两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率f0的交流电压来激励。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在f0处接收灵敏度最高。因此，超声波接受传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R很小，频率特性变的光滑而具有较宽的带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声波接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。二 指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性6。 超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是00时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为400800。1.3 超声检测概述超声波是一种频率超过20KHz的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大的力量，并且在不同的媒质界面，超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速，方便，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，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、深井、管道长度等场合。超声在介质（固体、液体、气体、）中传播时，利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来探查物体和进行测量的技术称为超声检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时，利用反射这一性质，在金属，非金属中用来探测缺陷的位置和性质，从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土、人造石磨等进行探伤检验；在水中，根据反射波可以探测潜水艇和鱼群，测量海底深度以及探查海底底层等；在人体中则可以协助临床诊断疾病（如肝脓肿、肿瘤、胆结石等）和探测胎儿等。利用超声连续的共振性质，可以测量高压容器，锅炉，轮船甲板等的厚度或腐蚀程度，也可制成机械滤波器。利用超声波的衰减特性，可以研究或测量材料的物理性质。当超声波射到运动物体时，利用多普勒效应，可以测量流速流量，探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送某信号，则可制成水中电话，水中遥测仪等，已进行水中通信。利用超声波在固体，液体中传播的速度远小于电磁波这一特性，可制成超声延迟线和存储装置以及进行电话制式的转换。还可利用超声波检漏、测量液位、粘度、硬度和温度等。除此之外，声发射、声成像技术（包括声全息成像技术）的发展更大大丰富了超声检测的内容7。超声波测量在国防、航天航空、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可以起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物质中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围8。1.3.1 超声探伤超声波在被检材料（金属、非金属）中传播时，利用材料本身或内部缺陷所示的声学性质对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方法，成为超声探伤。它是一种非破坏性的材料实验方法，即不需破坏被检材料或工件就能探测器内部各种缺陷（如裂纹、气泡、夹杂物等）的大小，形状和分布状况以及测定材料性质。超声探伤具有灵敏度高、快速方便、易实现自动化等优点，因此广泛应用于机械制造、冶金、化工设备、国防建设等部门、已成为保证产品质量、确保安全的一种重要手段。超声探伤按其方法和目的可分为如下诸种：1.3.1.1 脉冲反射法把超声脉冲发射到物体中再接收来自物体中的反射波，这种探伤方法称为脉冲反射法。它是超声探伤中最基本的方法。在脉冲反射法中，根据声束传播情况可分为直探法和斜探法；根据探伤所用的波形可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法和板波探伤法；根据探头个数和作用可分为单探头法和多探头法；根据声耦合方式可分为直接接触法和水浸法等等。由于这些方法具有各自的特点，所以广泛用来对金属和非金属材料及其制成品进行无损检验。1.3.1.2 穿透法利用穿过被检物体的超声波的穿透率和有无声影进行探伤检验的方法称为穿透法。穿透法有连续波穿透法，脉冲穿透法和共振穿透法等。此方法的优点是适用于薄工件；由于超声波传播路程仅为反射法的一半，故适用于检查衰减大的材料；探伤图形直观，只要定好检查标准就可以进行作业。易实现自动探伤、检查速度快。缺点是不能知道缺陷的深度位置，缺陷探测灵敏度一般比反射法低，难以检查较小缺陷。1.3.2.3 共振法把频率连续改变的超声波射入被检材料，根据材料的共振状况测量其厚度或检查有无缺陷等材料性质的方法称为共振法。共振法一般用来测量金属板、管壁、容器壁的厚度或腐蚀程度，测量声速，检查板中得分层和进行材质判定。1.3.1.4 声阻法声阻法是利用被测物件的共振特性，即被测物对探头所呈现的机械阻抗的变化来进行检测的一种无损检测法。它多用于检测物体表面的成层情况，例如用来检查基本材料上附粘的膜片是否粘结上等。它的工作频率范围一般都比较低（如几千赫兹）。用这种方法工作时，把探头和被测件直接接触，使被测件和探头结合在一起构成一个共振体，探头一方面是振动源，同时也是检测部件，当被测件的有效厚度不同时（例如，若膜片未粘上，则有效厚度仅为膜片的厚度，若已完好的粘结上，则有效厚度包括膜片和基本材料的厚度），该共振体的频率特性就不同，从而可根据其频率特性来判定膜片在某个小区域的粘结情况。1.3.2 超声测距的原理及实现由参考文献9声强透射系数=4Z1Z2/(Z1+Z2)2 (1-1)声强反射系数 =(Z1-Z2)2/(Z1+Z2)2 (1-2) 其中，Z1为反射声阻抗，Z2位透射声阻抗。可以观察到，当两介质的特征声阻抗相差很远时，即不论Z1Z2，还是 Z1 Z2，则可得->0，->1，几乎无透射声波，而产生全反射。空气的声阻抗较小，因此当超声波从空气中垂直入射到汽油、木材、钢材时，几乎产生全反射，这样，反射回来的回波具有足够的能量被接受探头所接收，为超声波测距创造了可能性。入射波反射波换能器S=C*T/2图1.4超声波测距原理超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。如图1.4所示，超声波测距原理是通过超声波发射传感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，途中遇到障碍物就立刻返回来，超声波接收器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为C=340m/s,根据计时器纪录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(S),即：S=C*T/2=C*T0, (1-3)其中，T0就是所谓的渡越时间 。 可以看出主要部分有：供应电能的脉冲发生器（发射电路）使接收和发射隔离的开关部分转换电能为声能，且将声能透射到介质的发射传感器接受发射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器接受放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射的记录回波时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。在超声波测量系统中,频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固定的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为25KHz300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于回声信号以便纪录，同时为了使它能接受具有一定频带宽度的短波信号，接受放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避免开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路的瞬时与接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或纪录。 第二章 超声测距系统的总体构想该超声测距系统的应用背景是基于单片机的超声信号检测中的先期部分。因此初步计划是在室内小范围的测距，限定在4米之内。本章从整体结构角度讨论了测距系统的组成及一些系统的主要参数。2.1 超声检测概述系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的，系统结构如图2.1所示。LED显示指示灯闪烁稳定电源MC68HC908GP32发射电源接收电源发射探头接收探头 图2.1 超声波测距硬件电路图电子市场上常见的超声探头是收发分体式，一般频率为40KHz，如果需要更高频率的超声探头，比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要到专业经营超声波产品的厂商去购买或者定制。鉴于有限的条件，本文中选用的探头是40KHz的超声传感器，有一支接收传感器SZW-R40-10P和一支发射传感器SZW-S40-12M，其特性参数如表2-1所示。发射电路通常有调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。因此，工作电压不能超过这个极限值。同时，发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用10。表2-1传感器特性参数型号结构SZW-S40-12M SZW-R40-1OP开放式 开放式使用方式中心频率发射 接收40±1KHz 40±1KHz整个灵敏度灵敏度声压115dBmin（0dB=0.02mPa） -70dBmin（0dB=1V/bar）指向性75° 80°容量最低使用温度最高使用温度最小探测距离2,500±25%pF 1,100±25%pF-40°C -40°C85°C 85°C0.2m 0.2m最大探测距离分辨率4m 4m9mm 9mm最大输入电压20Vp-p连续信号发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是由三级放大电路，检波电路及门限判别电路构成，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。但是由于超声传感器固有特性，即盲区的存在，对于回波的接收和处理造成了相当程度的影响。在本文中，采用了远近两种发射模式分开测量的方法，即由程序自动判断采用那种电路来进行接受。该超声测距仪的测量全程覆盖0.084米，分为两挡。当量程为0.8米时，回波最迟到达时间为4.0ms；当量程为4米时，回波最迟到达时间为25ms。综合各种资料参考，这是比较经济适用的回波处理方法11。显示电路采用串行方式，主要是出于节省接口资源的考虑。三个LED数码管显示三位数据X X X ,表示X X X cm。指示灯用来显示电源的接通与断开，以及是否接受到了回波12。2.2 系统主要参数考虑2.2.1 传感器的指向角传感器的指向角是声束半功率点的岬角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长，传感器半径r有关。由 （2/）*r*sin(/2)=1.165 （2-1）选f0=40KHz时，=C/ f0=8.5mm。当f0选定后，指向角近似与传感器半径成反比。指向角愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。鉴于目前电子市场的压电传感器规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm,故=2*arcsin(1.615/2*r)=7502.2.2 测距仪的工作频率由文献13，空气中超声波的衰减系数为=Af2+Bf1 。所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求选择合适超声波频率，一般在40KHz左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的工作频率是测距系统的主要参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。工作频率的确定主要基于以下几点考虑：如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减少声波的传播损失，就必须降低工作频率。工作频率越高，对相同尺寸的传感器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。 综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz。这样传感器方向性尖锐，且避免了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对于低频有所增加，但不会给发射和接受带来困难14。2.2.3 声速由公式(1-3)，声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化15。声速随温度变化公式为V=331.4+0.067T(mm/ms) (2-2)式中，T是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为340mm/ms。2.2.4 发射脉冲宽度发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射功能量有关。根据资料16，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接受回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，比较了24s(1个40KHz脉冲方波)，120s（5个40KHz脉冲方波），240s （10个40KHz脉冲方波），720s（30个40KHz脉冲方波）的发射脉冲宽度作为发射信号后的接收信号，最终选用120s（5个40KHz脉冲方波）的发射脉冲宽度。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。2.2.5 测量盲区在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接受部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是值得注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，成为盲区。具体分析如下：当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。因此，在一段较长时间内，加在接收放大其输入端的发射信号幅度仍具有一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平VM ；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值Vm ,亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接收放大器有输入信号。由图2.2，从b点以后，接收的信号低于阈值，相当于测距的远限。另外，从图中A点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号迭加，难以分辨。从c点以后，发射信号低于阈值Vm ，接收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨，所以在要求较高时，把oc这段时间规定为盲区时间。从距离上说，根据盲区时间和声速，就可以求得盲区距离。因此，cb为可测距范围；b点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。VMVmacbA接收信号幅值发射信号幅值发射后时间图2.2 传感器回波测距原理分析2.3 超声测距系统的总体构成单片机控制整个系统的运行，发射脉冲，检测到回波后读入深度及A/D信号接收放大器包括三级放大器，一级前置放大器，一级带通放大器及一级程控放大器，接收机带宽为2KHz，以满足最佳通频带的要求。回波检测中用到了滑动门限技术及双门限检测技术。 如图2.3所示，从接收传感器传来的信号很微弱，又存在着较强的噪声，所以信号和抑制噪声是首先必须考虑的17。通常使用低噪声晶体管多极调谐放大器的主要要求是：具有低的自噪声；具有合适的输入输出阻抗；有一定的放大量。在测距应用中，由于工作频带窄，故应按功率匹配，使前置放大器的输入阻抗与传感器输出阻抗的数值相近。而输出阻抗与接收机（或下一级的）输入阻抗的数值相近，也可使用各种有源滤波器和放大器的组合来实现。带通滤波器的中心频率等于信号频率。这样，传播过程中的绝大部分能量就被阻挡在通带之外了，但对通带内的噪音抑制则无能为力。一定程度上，可以通过增加发射功率和提高接收机的方向性来提高信噪比，使这个问题得到改善18。门限检测阈的设置是为了进一步消除噪声的影响便于后面的处理分析，该门限电平一般大于噪声的均方根值。当信号超过阈值是判断为有目标回波。若阈值过高，只有强信号才能检测到，这样检测效率就降低；若阈值过低，信号超过阈值的机会多了，但同时噪声超过阈值的机会也多，则“虚警”概率大。前置放大器带通滤波器2程控放大包络检波A/D转化发射电路MCU第一门限检测第二门限检测（脉宽比较）显示电路图2.3 超声检测系统组成值得注意的是，由于测距远限的存在是因为接收信号幅值应该大于规定的阈值电平，而这个阈值Vm大于噪声幅值的10倍，保证信噪比大于10，但无论要求如何低，最小接收信号的幅值总得比噪声幅值大，否则无法分辨出来。但为了拉长远限，增加可测距离，可以从两个方面考虑：从噪声源角度出发提高信噪比：（1）减小电子仪器中各种干扰和噪声，在这超声波接受处理电路中详细说明。（2）减小外来工业噪声，如果探头采用的频率高，可以避开工业噪声；采用频率低，除在工业噪声的范围内，电路中就必须采用适当的滤波形式。（3）减小超声测量系统中引起的杂乱声学信号。例如：在气介式测量中，采用了波导管，关闭可能黏附污迹，形成坎坷不平，注意清除污迹。增加接收信号幅值以提高信噪比：（1）加大发射信号功率，使接收信号幅值提高，但受到超声传感器工艺限制。（2）增大反射率，就增加了反射信号的功率。但受实际条件限制。（3）使信号随距离增大而减小的速率尽可能小，但介质和超声波频率确定后，衰减系数基本确定。第三章 超声测距系统的总体方案前面两章给出了超声测距系统的工作指标及总体构成原理，本章将要叙述超声测距系统部分的组成方案。3.1 发射电路的方案设计3.1.1 发射声波传感器的振荡波形要经过一段时间才能达到稳定状态，理论上信号的幅度是指数上升的，Q个周期后达到幅度的95%，1.5Q个周期后达到99%。为提高传感器的灵敏度，Q值一般不能太低，为使传感器充分振荡起来，发射脉宽要求不能小于Q个振荡周期，才能使发射幅度基本达到最大。考虑到测量“盲区”，这里选择脉宽为120s，包括5个调制的44KHz的方波信号。3.1.2 发射波形的数学模型由文献19，在规定时刻将持续时间的正弦波加到传感器上，然后关闭发射电路，打开接收通道，接收来自障碍物的反射，其表达式为： u(t)= uoe-jwot (0<t) 0 其它 (3-1) 式中，w0为发射电压的载频，它等于超声传感器的串联谐振频率。 由于超声波传感器的带宽有一定限制，可等效于一谐振网络，在(3-1)式的激励下，其输出波形表达式为： uT(t)= k1u0(1-e-jw0/2Q)e -jw0 (0<t) k1u01-(1-e-jw0/2Q)e-jw0e (t>) (3-2)式中，K1为传感器的电声转换系数；w0为传感器的谐振频率；Q为传感器的品质因数。3.1.3 发射电压传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损失的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失；另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为20VP-P，取发射电压为15 VP-P。3.2 接收放大器的方案设计接收预放大单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利检测单元的正确检测20。在传感器接收到的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。室内环境中噪声主要集中在低频段，远离回波信号频率，因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪声决定，其功率普宽度远大于接收机的通频带。我们可以近似的将其作为白噪声处理，根据已有知识，输入为已知信号加白噪声的条件下，匹配滤波器的输出信噪比最大。匹配滤波器具有以下特点：(1)输出最大信噪比与信号波形无关。(2)匹配滤波器对信号的幅度和时延具有适应性，即对只有幅度和出现时间不同的信号，它们的匹配滤波器是相同的。(3)匹配滤波器与相关接受和相关器具有等效性。实际上很难得到精确的匹配滤波器，由于单个射频脉冲的频率是连续的，用普通的窄带滤波器就能把其主峰部分（w附近）滤波出来，适当的选择滤波器的通带宽度就能取得与匹配滤波器相差不多的效果21。室内反射的回波信号可以看作是随机相位即幅度信号，这种随机性是因为发射信号的起振相位，介质中的反射特性和传播衰落等随机因素引起的，因此统计检验的假设为： H0: x(t)=n(t) H1: x(t)=A*sin(vt+)+n(t)其中幅度A和相位都是随即参量，它们在观测时间（0，T）内是常数，在不同的观测时间内随机的取值。假定相位及幅度A的先验概率分别为均匀分布及瑞利分布22 p()=1/2 02 (3-3) p(A)=(A/A0)exp-A2/2A02 A0 (3-4)则似然比I(x)为 (3-5)