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sensor  发布于  2018-03-27 11:20:27
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超声波传感器测距方法详解

在日常生产生活中,超声波测距传感器主要应用于汽车的倒车雷达、及机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如:液位、井深、管道长度等需要自动进行非接触测距的场合。目前有两种常用的超声波测距方案。一种是基于单片机或者嵌入式设备的超声波测距系统,一种是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超声波测距系统。想要了解超声波测距传感器的相关应用设计首先我们必须了解超声波传感器测距的工作原理。


超声波传感器测距工作原理

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器。超声波是指频率大于20 kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波,其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点,因此常被用于非接触测距。由于超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中。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。,因此超声波测距对环境有较好的适应能力,此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。

目前超声波测距的方法有多种:如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,经反射后由超声波接收器接收脉冲,其所经历的时间即往返时间,往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离例如:

假定s为被测物体到测距仪之间的距离,测得的时间为t/s,超声波传播速度为v/m·s-1表示,则有关系式(1)
s=vt/2 (1)

在精度要求较高的情况下,需要考虑温度对超声波传播速度的影响,按式(2)对超声波传播速度加以修正,以减小误差。

v=331.4+0.607T (2)

式中,T为实际温度单位为℃,v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。


超声波测距传感器工作原理


超声波测距原理是通过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时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。而超声波测距传感器,采用超声波回波测距原理,运用精确的时差测量技术,检测传感器与目标物之间的距离,采用小角度,小盲区超声波传感器,具有测量准确,无接触,防水,防腐蚀, 低成本等优点。超声波测距传感器常用的方式是1个放射头对应1个接收头,也是多个发射头对应1个接收头基于超声波测距的简单、易于操作和无损伤等特点所以
要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距传感器的工作原理。



对于超声波测距工釆网小编向大家推荐一款韩国Hagisonic 超声波测距传感器模块 - HG-C40U。


超声波测距传感器模块拥有两种可选传输模式,分别是自由运行模式:有电源时,传感器自身发送触发和突发信号(用于基本应用);外部触发模式:外部系统(控制器或处理器电路)控制触发信号用于高级应用,这两种模式适用于各种用途,此外该传感器还涉及两种输入电源一种是低压(5V)适用于处理器电路另一种是高压(12V)适用于控制器可测量到障碍物的距离为3.5m (at 5V)、5m (at 12V),并用UART通讯发送数据,分辨率在5mm以内。另一方面在各种场合用户可根据自身环境选择不同的设置模式比如自由运行/ UART触发/外部触发设置等,同时也可根据测UART通讯波特率设定决定是否设置使用环形缓冲区,输出信号具有高性能ASIC芯片,保证稳定传输、灵敏接收等特点,因此传感器到PC的通讯使用‘接口板’(RS232,功率调节器)数据显示使用PC上的监控程序(可用超级终端)可以将实际接收的超声波实时放大用UART(ASCII, mm)输出距离数在根据实时将探测信号转为TTL电平矩形信号(方波)
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1 2020-12-02 17:46:55
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人类耳朵能听到的声波频率为20HZ~20KHz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时,我们便听不见了。因此,我们把频率高于20KHz赫兹的声波称为“超声波”。因其方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。如超声波清洗机,超声波加湿器,医学检查B超,彩超,超声波探伤仪等。

声音是由振动产生的,能够产生超声波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。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,使用前必须预先了解它的性能。

常用的是压电式超声波发生器,是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波传感器探头内部有两个压电晶片和一个共振板。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,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,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器了。 超声波传感器就是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换成超声波发射出去;而在接收时,则将超声振动转换成电信号。

超声波测距原理:

最常用的超声测距的方法是回声探测法,如下图,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离s,即:s=340t/2

超声波发射电路:由555定时器产生40KHZ的脉冲信号,加到超声波探头的引脚上,使内部的压电晶片产生共振,向外发射超声波。

超声波接收电路: 由于超声波接收探头产生的电信号非常弱,需要进行放大处理,下图,由晶体管和运算放大器LM324构成放大电路,对接收信号放大后,驱动继电器。

一般采用集成的信号放大器芯片,对信号进行放大处理。CX20106是SONY公司的专用集成前置放大器,由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能,可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益,在近距离输入信号强时放大器不会过载。

超声波也是一种声波,其声速V与温度有关。在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。V = 331.4 + 0.607T ,式中,T为实际温度单位为℃,v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s

实际测量时由于传感器和被测物体的角度不同,被测物体表面也可能是不是平整的,产生几种特殊情况,会导致测量结果错误,如下图,可以通过旋转探头角度多次测量来解决。

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。
  (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。

超声波测距模块: 市场上有很多做好的测量模块,价格性能不一。

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能, 测距精度可达高到3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理:

(1)采用IO口TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号;

(2)模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;

(3)有信号返回,通过IO口ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

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