超声波传感器精品(七篇)
超声波传感器篇(1)
[关键词]超声波 传感器 疾病诊断 测距系统 液位测量
一、超声波传感器概述
1.超声波
声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播 规律 ,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。
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)。
2.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。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。
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。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。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(pzt)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。 超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
二、超声波传感器的应用
1.超声波距离传感器技术的应用
超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器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,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。
2.超声波传感器在医学上的应用
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。
3.超声波传感器在测量液位的应用
超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后 计算 其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。
4.超声波传感器在测距系统中的应用
超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 s=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
三、小结
文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发,讨论了超声波传感器的原理与特点,并由此 总结 了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用。但是,超声波传感器也存在自身的不足,比如反射问题,噪声问题的等等。因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。
参考 文献 :
[1]单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.
超声波传感器篇(2)
关键词：智能小车；避障；超声波传感器
1 概述
机器人从最初的示范模仿机器人，到现在的具有感知能力的智能机器人，在技术上有了很大的进步[1-2]。随着机器人科学的发展，机器人已经应用到生活、娱乐、军事、医学等各个方面。其中智能避障小车就是应用于生活、娱乐军事等领域的产品。智能避障小车采用两轮或四轮驱动，行动灵活，操作方便，其避障系统能够在行进中对小车的前进方向进行调节，避免发生碰撞或摩擦[3]。目前智能小车在实现避障功能时，往往在前方安装两个及以上的超声波传感器，由于超声波以声波的形式传播，存在波束角，这会引起传感器之间的干扰，而且安装多个传感器也会占用多个串口资源。故设计出了一种在前端使用一个传感器的情况下任然能够精确避障的算法。
2 超声波测距原理
方法设计中使用HC-SR04超声波测距传感器，其使用方法简单，模块性能稳定，测度距离精确，普遍用于智能小车的避障系统中。超声波测距有相位探测法、渡越时间探测法和声波幅值探测法三种方法[4]。
渡越时间探测法，指的是超声波发生器往某个方向发射超声波，计时开始于发射的时间点，此后超声波沿直线传播，当超声波撞击到物体时就被反射回来，当超声波接收器接收到返回来的回波时计时停止。超传感器与物体之间的距离d可以由公式（2.1）得出，其中c为空气中超声波沿直线传播的速度，t为传感器测量的时间[5-6]。
但由于发射的超声波存在波束角，当障碍物偏离传感器一定角度时，传感器将检测不到障碍物，因此小车就可能与障碍物发生碰撞或摩擦。
3 避障距离计算
该设计基于两轮驱动的智能小车，计算出多个避障距离，最终选用最大的距离作为安全避障距离（以下均讨论临界状态）。小车的模型及传感器布置分别如图2所示。
安全距离R（或D）：
若小车在转弯时采用单轮转动的方法，则安全距离为小车的直径D，若是采用两个轮子反向同速转动，则安全距离为小车半径R。
安全距离d1：
由于传感器发出的超声波有波束角，可以测量角度为？兹的扇形范围内的障碍物，若小车的避障距离过近，在图3所示的情况中，即使前方有障碍物，传感器1也检测不到，所以需要提高避障距离。只有当障碍物的距离a大于小车的直径D时，小车才能安全通过，如图4所示，其中避障距离d1可根据公式3.1计算得出。
若车体距离障碍物等于d1时能检测到障碍物，则说明前方无法通过，需执行避障操作；若大于d1时检测到无障碍物，说明前方无障碍或可以通过障碍的间隙，可通过。
安全距离d2：
若执行避障操作，假设左转。存在以下两种情况：
情况1：若两轮反向同速转动，则左转后车体右侧与障碍物的仍为d1，如图5（a）所示。若传感器3检测到障碍物，则继续直行，若在前进时检测到右侧无障碍，则执行右转，通过障碍回到原始方向。
情况2：若单轮转动，则左转后车体右侧与障碍物的距离变为d1-R，如图5（b）所示。然后继续直行。若要在此之后再次右转回到原始方向，由于是单轮转动转弯，则障碍物间距a应大于等于D，在临界状态下，传感器3刚检测到障碍物时，如图6所示，可以得出a/2=D。
综上所述，若选择两轮反向同速转弯，则避障距离选择Max（R，d1）（即R和d1中的最大值）；若选择单轮转弯，由于安全距离d2恒大于安全距离d1，故避障距离选择Max（R，d2）；若采用差速转弯，避障距离仍可采用上述思路进行计算。
4 实验测试
基于以上的避障距离算法，设计了一款智能避障小车。小车直径为14cm，采用两轮反向同速转弯，HC-SR04超声波传感器的波束角为10°，计算得出安全距离d1=80cm，在障碍物如图7所示（其中 始终大于D）。a1为直行时障碍物的间离，a2为左转后车体右侧障碍物的间距。
由表中数据可以看出基于该设计的智能避障小车在有间距的障碍物情况下避障或通过的成功率远大于前端安装两个传感器的避障小车，有效的实现该设计避障小车的避障以及回到原方向的成功率。
5 结束语
文章采用三回路的HC-SR04超声波传感器对障碍物进行检测，在车体前方安装一个超声波传感器，节约了串口资源，并且能够在避障后回到原始的前进方向上，避免了由于避障导致的偏离方向。该设计仍存在局限性，如无法用于尺寸较大的智能避障小车。因此该方向仍有很大的提升空间。
参考文献
[1]杨莹.国内外机器人研究领域的知识计量[D].大连：大连理工大学管理科学与工程学院，2009：24-41.
[2]顾志华，戈惠梅，徐晓慧，等.基于多传感器的智能小车避障系统设计[J].南京师范大学学报，2014，14（1）：11.
[3]戈惠梅，徐晓慧，顾志华，等.基于Arduino的智能小车避障系统的设计[J].现代电子技术，2014，37（11）：118.
[4]渠笑纳.超声波测距在泊车辅助系统中的应用[D].大连理工大学，2010.
[5]潘元骁.基于Arduino的智能小车自动避障系统设计与研究[D].西安：长安大学，2015.
超声波传感器篇(3)
【关键词】高压开关柜；局部放电；TEV检测；超声波检测
1.引言
目前，对开关柜设备局部放电（PD）的检测方法主要有脉冲电流法（ERA）、射频法（RF）、超声法、超高频法（UHF）、暂态对地电压法（TEV）等。脉冲电流法可以测定出局部放电的一些基本量（如：视在放电量q、局部放电脉冲大小、数量与相位），该技术成熟、应用广泛，但缺点是抗干扰能力差。射频法和超高频法可以实现开关柜局部放电的带电检测，但是不能给出局部放电量。超声波法抗干扰能力强且可以很好的实现放电源的定位。暂态对地电压（TEV）法作为一种带电检测技术，具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，因此逐步在国内变电站推广使用[1]。本文分析了TEV及超声检测的原理，并自制TEV传感器，在实验室，搭建基于TEV与超声波检测的实验平台，通过示波器利用时间差法实现了局部放电源的精确定位。
2.TEV检测法的原理
2.1 暂态对地电压（TEV）
高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流在设备表面金属上传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部无法检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会由此传输到设备屏蔽外壳[2]。因此，局部放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号，该现象由Dr.John Reeves在1974年首先发现，并将其命名为暂态对地电压。
2.2 TEV技术基本原理
一般来说单芯10kV电缆的阻抗约为10Ω，35kV的金属外壳母线室的阻抗则约为70Ω，电缆或母线室发生局部放电产生持续10us的约100mA的弱电脉冲电流时，在金属外壳上会出现1～7V的对地电压。电压、电流脉冲沿开关柜金属外壳的内表面传播，遇开口、接头、盖板等处的缝隙传出设备，再沿着金属外壳的外表面传播至大地。目前TEV法检测设备大都采用电容性探测器来检测放电脉冲，其工作原理如图1所示。现有的局部放电检测方法常以脉冲电流法的视在放电量来表征局部放电活动的严重程度，但对TEV法来说，由于影响局部放电测量及放电量表征的因素较多，为了简单起见，在该方法中测试结果采用相对读数来表示。在局部放电过程中，局部放电信号在设备的金属封闭壳体上产生一个瞬时对地电压，可通过电容耦合传感器对其进行测量，得出局部放电的幅值和放电脉冲频率等参数。
3.超声波检测原理
发生局部放电时，在放电的区域中，分子产生剧烈的撞击，宏观上产生了声音，我们把频率大于20KHz的称为超声波。开关柜发生局部放电等缺陷时，其超声波发射频谱集中在20～100KHz。局部放电产生的超声波信号通过安装在柜体外壁的传感器接收，即超声波要从放电源传播到测量点才能被检测到，声波在传播中要衰减，频率越大，衰减越严重。超声波传感器的检测范围在很大程度上取决于其使用的波长和频率[3]。结合声波和周围环境中噪声的特点，我们选择的传感器为中心频率约为40KHz的接触式传感器，其具有较宽的检测带宽，使用超声耦合剂，增设60dB前置放大器，配合数字滤波器组成超声波检测电路具有较高的灵敏度，图2为放电源距离传感器30cm时超声波传感器接收到的针板放电局部放电的超声波信号图。
4.开关柜局部放电实验平台及局部放电信号检测
为了系统的研究开关柜中的局部放电，本文在开关柜试验平台上建立了一套基于TEV与超声波相结合的局部放电检测系统。
4.1 试验原理图
如图2所示，工频高压由YDTW15/150KV无晕工频高压试验变压器提供，高压的输出端串联一个10kΩ的保护电阻，以免试品击穿后电流过大损害变压器。C0为试验用的耦合电容器，Cx为装有针板放电模型的开关柜试品如图5，TEV传感器接示波器的CH1通道，超声传感器通过前置放大器之后在接示波器。其中TEV传感器为自己研制的传感器，其原理近似于耦合电容传感器，超声传感器为接触式超声传感器，传感器中心频率为40KHZ，检测频带比较宽，可以在宽频带范围内研究局部放电超声波信号，前置放大器其增益最大可调为60dB。经前置放大器处理的信号被传输到示波器。示波器采用YOKOGAWA的DL1540L型8位数字示波器。试验时，单次采样时间长度为一个工频周期，即20ms；采样率为5MS/s。示波器的4个通道分别采集超声信号与TEV信号。其中TEV信号作为触发用以控制信号采集起始时刻，还可以方便观察TEV信号与超声信号的时间差，便于局部放电源的定位。
4.2 局放TEV及超声波信号检测
在局部放电超声波检测和定位中，超声波信号的识别和声波在不同介质中的传播速度、衰减情况对提高检测的精度有非常重要的作用。我们在开关柜内设置针板放电模型如图3所示，模拟接近真实的放电环境进行实验，得出的结论更有实用性和参考价值。将TEV传感器吸附在开关柜体外壁上，超声波传感器用耦合硅胶贴在柜外壁，并用胶带固定保持一定的压力，接好检测电路，当所加电压达到5kV时，有局部放电产生，随着电压的升高，当所加电压达到约6kV时，放电较为明显并伴随有明显的“滋滋”声，移动传感器位置，并用四通道示波器观察输出脉冲信号。由于超声波在空气中衰减较小（50KHz的超声波常温衰减为0.98dB/m），空气中得到的检波脉冲信噪比较好。如图3所示，分别为TEV传感器（通道1）和超声传感器（通道2）接收到的信号，其中TEV传感器接收到的信号为触发信号。通道2显示的最左端较平滑的超声波脉冲与TEV传感器接收到的电信号之间有一定的时间差。移动超声波传感器位置，改变放电源和超声波传感器之间的距离，观察随着放电源和传感器之间距离的缩小，输出超声波脉冲会左移而靠近电脉冲信号，随距离的增大，超声脉冲右移而远离电脉冲。
由于声音反射以及通过不同介质传播，各种介质中的衰减强度和传播速度不一样，所以观察到的超声波脉冲没有电脉冲信号平滑。观察到的脉冲，还与传感器和放电源的位置角度有关，在一定的角度时，超声波发生全反射而接收不到。如图4所示，局部放电产生的超声波在空气中会沿不同方向传播，遇到柜体内壁会发生反射和吸收，传播过程中也会有不同程度的衰减。我们在不同位置设置超声传感器，分别观察示波器输出脉冲。路径1，即超声信号以在空气中最短的路径传播到铁柜内壁，再穿过铁皮到传感器。路径2为超声波从放电源通过空气直接到传感器位置，穿过铁皮进入传感器。由于超声波在空气和铁中的衰减情况和传播速度不一样，接收到的信号也有差异。常温下超声波在空气中的传播速度为340m/s，铁中大约为6000m/s，空气中衰减为0.98dB/m （50Hz），铁中21.5dB/（10MHz），衰减随频率的增加而增大。经试验获得的路径1与路径2的超声波波形图如图5、图6所示。由于空气比铁中衰减小速度小，所以有试验结果图可见路径2接收到的脉冲幅值比路径1大，距离TEV脉冲的时间差也比路径1大。由此可见我们在定位时取超声在介质中的传播速度时，应该考虑传播速度的衰减[4-5]，尽可能减少定位的误差。
5.结论
通过模拟基本真实的高压开关柜局部放电检测环境，搭建实验平台，获得了放电的TEV及超声波检波输出脉冲。通过对超声波传播路径及超声传播衰减的分析，得出传播速度的衰减对精确定位有一定的影响，对局部放电检测有一定的实践意义和参考价值。实验中观察到，超声传感器距离放电源较远时，信噪比还比较好，若选用灵敏度更高、接受面积大的超声波传感器，还可以提高检波电路的性能及定位的精度。
参考文献
[1]岳桂芳.局部放电产生原因及分析[J].机械工程与自动化，2005（4）：105-105.
[2]黎大健，梁基重.GIS中典型缺陷局部放电的超声波检测[J].高压电器，2009，45（1）：72-75.
[3]刘云鹏，王会斌，王娟.高压开关柜局部放电UHF在线检测系统的研究[J].高压电器，2009，45（1）：15-17.
[4]乔进朝，王进锁.开关柜非嵌入式局部放电在线检测定位研究[J].山西电力，2008（5）：24-2.
超声波传感器篇(4)
关键词:超声波 发射 接收 距离
超声波是一种频率在20KHz以上的机械波,在空气中的传播速度约为340m/S(20℃时)。超声波可由超声波传感器产生,常用的超声波传感器两大类:一类是采用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波,目前较为常用的是压电式超声波传感器。由于超声波具有易于定向发射,方向性好,强度好控制,对色彩、光照度不敏感,反射率高等特点,因此被广泛应用于无损探伤,距离测量、距离开关、汽车倒车防撞、智能机器人等领域。超声波穿透性较强,具有一定的方向性,传输过程中衰减较小,反射能力较强。它的应用广泛,可用于探伤、测量距离、测量厚度和自动控制等。
一、超声波探测原理
超声波探测仪一般由发射器、接收器和报警显示装置组成,如图1所示:
图1超声探测仪结构框图
这里采用的传感器是超声换能器,通常出售的超声换能器在40kHz具最佳转换效率。利用电容传声器和振动膜片性能优良的扬声器也可作为传感器用。超声波发射器不是单独发射一个个的脉冲,而是一串串几个脉冲的脉冲串,并对测量逻辑电路提供一个短脉冲;超声接收器接收发射器发射的脉冲串,同样也对测量逻辑电路提供另一个短脉冲。再利用双稳电路把上述的两个短脉冲转换成一个方脉冲,这个方脉冲的宽度就等于上述两个短脉冲之间的时间间隔,测量这个方脉冲的宽度就可以确定发射器与探测物之间的距离。
二、应用
超声的研究和发展,与媒质中超声波的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton首次制成超声气哨,其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流,吹动圆形刀口振动形成共振腔,从而产生超声波。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器成本低,所以经过不断改进,至今仍广泛地用于超声处理技术中。
(一)测厚度
超声波检测厚度的方法是将超声波探头与被测表面接触,使探头发出超声波到达被测物体底面反射回来,该信号又被探头接收,发射与接收的超声波之间的时间间隔为t,这样被测物体的厚度即可用下式得到:h=ct/2,式中c为超声波的传播速度。
(二)测物位
在化工、石油、冶金及电力等部门中可用超声波测油位、水位、粉位。让超声波探头发射超声脉冲信号,当信号到达物位面(水、油、粉)后返回,并被探头接收,测量发射与接收超声波脉冲的时间间隔和介质中的传播速度,即可求出物位的高度。
(三)测流量
超声波在静止和流动流体中的传播速度是不同的,进而形成传播时间和相位上的变化,由此可求得流体的流速和流量。
三、调试
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,使其振动发出超声波。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,这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大,对于接收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之后,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。整个探测装置共用了7块集成电路和2只晶体管,装配的电路并不复杂,但需经过下列的调试:
(1)在接收器上,因为放大器的增益较大、频带较宽,因此寄生反馈容易引起不稳,应注意放大输入级与输出级的隔离。
(2) 2个换能器必须并排安装并对着同一方向。两换能器之间的距离不能太大亦不能太小,它们中心线的距离在30~40cm之间,彼此不会互相干扰。
(3)将IC2从插座上拔出,把IC1的4脚接到9V电源上,用示波器观察其3脚的波形应为连续的方波。调节RP1其频率亦应改变。
(4)将电路恢复正常状态,用示波器或交流毫伏表来测量输出脉冲的强度,调节RP1使接收到的信号强度最大。
四、结语
超声波检测的应用十分广泛,除上述应用外,还广泛用于无损检测,由换能器构成的声纳,可探测海底礁石和鱼群。另在医学上用于诊断病因,在建筑工程中用于探测混凝土的内部空洞、表面缺陷、裂缝深度,在考古上探测文物位置等。利用超声波实现了非接触距离测量,随着对超声波测距影响因素的研究,测量精度将不断提高。
参考文献:
[1]卢世魁等.超声探测仪的研究[J].工矿自动化,2002,(3)
[2]赵珂.时差法超声测距仪的研制[J].国外电子器件,2005,(1):65-67
超声波传感器篇(5)
关键词：公交车逃票检测系统；报警；检测
【中图分类号】N945.23
一、引言
在日常生活中，公交车是人们日常出行的便捷交通工具也是政府大力提倡的出行交通方式之一。现代城市的公交车大都采用上客门（前门）和下客门（后门）分开设立的方式，目的主要是保证车内的空间充分利用，以及投钱刷卡的便于管理。现今，城市中的公交车大都采用无人售票的形式，司机既要负责行公交车的安全，又要监督乘客投币、刷卡的情况。因司机处于公交车的前部，当车内乘客很多且大都挤在车辆前部时，如果当乘客需要从后门进入时，这个时候极可能造成乘客逃票的现象发生。如果人数众多，司机的监督更加困难，这样就给公交公司造成损失。此外，当前交通事故是当今事故死亡的重要因素，而车辆超载是其主要的诱发因素。目前，我国测定车辆是否超载，是在车辆经过的地方用电子称或在路上铺设压力传感器来测量，这个方法不仅效率低还带有随机性，不利于对超载进行控制。
二.系统组成
1、第一超声波探测器；2、第一压力传感器；3、公交车前门
1.本系统包括第一超声波探测器1、第二超声波探测器（上图未标示）、第一压力传感器2、第二压力传感器（上图中未标示）及控制器（上图中未标示）。
2.第一超声波探测器1设置在公交车前门3外侧，第一压力传感器2设置在公交车前门3内侧乘客上下车踩踏的位置。第二超声波探测器设置在公交车后门外侧，第二压力传感器设置在公交车后门内侧乘客上下车踩踏的位置，公交车控制器分别与第一超声波探测器1、第二超声波探测器、第一压力传感器2、第二压力传感器电连接并控制其运行。
3.乘客上下车踩踏的位置指的是乘客上下车经过的位置，这样可以便于压力传感器的测量，在正常情况下乘客上车都会经过该区域，如果乘客有意注意则可避免。
4.超声波传感器具有发射端与接收端，当发射端发射的光遇到障碍物会被反射形成回波信号，接收端接收反射回来的信号，形成一定的超声波波形。经过大量的实验证明，人与杂物进入探测区后反射回来的超声波回波信号的脉冲宽度有很大区别。因此，可以在控制器内预设回波信号的脉冲宽度范围，若回波信号在该范围内，则说明是人通过公交车的前后门，若回波信号不在该范围内，则说明是杂物，比如包裹通过公交车的前后门。从而，可以判断是否有人上下车。超声波探测器距离地面具有一特定距离，比如距离地面高于110厘米，这样可以保证当不需要买票的小孩子在通过车门时不被超声波探测器检测到。
5.公交车检测装置还包括付费装置、显示屏、语音报警器及计数器。付费装置设置在公交车前门处，以便上车的乘客支付乘车费。付费装置可以有效地统计付费的人数，并将该付费人数信息传输给控制器。
6.显示屏及语音报警器设置在车厢内。语音报警器一般设置两个位于在车厢内的首尾位置，只要功率足够大。
7.在系统中含有计数器用于记录上车人数情况，每位乘客的数据在系统中是成数组分布的。
控制器设置在车厢内部并分别与所述第一、第二超声波探测器、第一、第二压力传感器、付费装置、显示屏及语音报警器相连，用于接收信号并控制上述装置的运行。
三.控制方法
本控制方法利用上述公交车系统，通过压力传感器和超声波探测器实现对公交车逃票的控制，其具体实施方法如下：
1.当第一或第二超声波探测器首先检测的信号，第一或第二压力传感器在预设时间内后检测到信号，则说明有乘客上车，第一或第二压力传感器将检测到的乘客的重量传递给控制器，控制器将该重量累加。
2.控制器可以以列表或数组的形式将第一或第二压力传感器传输来的上车乘客重量数据储存起来，类似于为每个人做标记。
3.在系统设计时，定义预设时间，其为乘客经过第一超声波传感器与第一压力传感器或经过第二超声波传感器与第二压力传感器的时间。在此预设时间内，乘客先后经过第一或第二超声波传感器与第一或第二压力传感器，则说明有人上下车。若时间超过预设时间，则不能说明有人上下车，控制器不对这种情况进行检测。
4.当第一或第二压力传感器首先检测的信号，第一或第二超声波探测器在预设时间内后检测到信号，则说明有乘客下车，第一或第二压力传感器将检测到的乘客的重量传递给控制器，控制器将该重量从系统的数组重量中减去。
5.若控制器中存储重量总和超过存储在控制器中的预设重量，则说明公交车超载，则控制器将预先存储在控制器中的预设信息通过短信模块发送给交警部门也可以通过安装报警器报警提醒，交警部门通过GPS确定车辆行驶地点并予以拦截，若控制器中存储重量总和未超过存储在控制器中的预设重量，则说明不超载。
6.在系统设计时，定义预设重量为公交车满载的重量。预先存储在控制器中的预设信息可以包括公交车的基本信息，比如车牌号、车子类型、车主这样交警部门就能尽快找到超载的公交车。
7.付费装置统计付费人数并在预设时间后将该信号传递给控制器。
8.付费装置可以为刷卡、投币装置，该付费装置能够记录付费的人数，在一预设时间内，如果没有乘客继续付费，则付费装置将记录的付费人数传递给控制器。预设时间应预先设置在付费装置中并可以人为调整的，其应不大于通过两站地之间的时间，以便更精确的记录付费人数。在本次设计中最主要的是对计数方法进行设计。
9.控制器比较付费人数及实际上车人数，当付费装置传输给控制器的付费人数与实际上车的人数不符的时候，控制器控制语音报警装置报警，语音提示：在什么时刻哪个站还有多少人没有付费，同时显示器显示在什么时刻哪个站还有多少人没有付费，直到欠费的人都付费或者驾驶员对报警系统清零。此时，报警器的功率较大。
10.在实际操作中，往往会出现有乘客先下车后在同一站上车的情况，比如，车停站后，有乘客下车休息然后上车。为解决上述问题，系统在设计时，只要检测到有人上车和下车体重一样就默认存在上下车现场，所检测到的人为同一个人。这样设计从而有效的避免多计算上车人数的情况发生，因为在实际生活中不可能在一辆公交车上存在体重完全一样的人，这也要求压力传感器的精密度更好，也更加精确地确定实际上车人数。
四、结束语
本论文着重讲述了介绍了公交车逃票检测系统组成和方法设计，利用传感器实现防逃票、报警的控制。本设计实现对公交车逃票的进一步检测和判断，实现了自动化、智能化，为相应的系统设计提供了思路。
参考文献
超声波传感器篇(6)
【关键词】单片机；超声波；测距仪；硬件设计
一、概述
超声波测距仪由于其非接触式测量的特点，受被测对象颜色等因素的影响较小，并且能适应被测物体处于黑暗、灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境。由此超声波的测距仪在工业生产、医学检查以及日常生活中得到了广泛的使用。通过对基于单片机的脉冲反射式超声波测距系统的设计，实现了以空气超声波的传播速度为确定的条件，并应用单片机技术对超声波在空气中的传播时间以及传播速度进行测量，再将相应的时间和速度的值相乘得到距离。
基于单片机的超声波系统主要包括单片机的控制系统、超声波的发射电路以及接收电路、温度补偿电路以及显示电路等。超声波的波速受到了温度的影响，由此在相应的电路之间产生了一定的干扰。传统超声波的测量精度不高，为有效提高超声波测距仪的精度，在测距系统中，通过CX20
106A和DS18B20集成芯片在检波接收电路和温度补偿电路的的使用，减少了电路之间的干扰，从而减少了测距仪的电噪声。经过相应改造和完善后的超声波测距仪具有较高的精度，其测距的范围在0.24～6m，最大测量误差不大于3cm。经过设计的超声波设计系统具有简单的硬件结构，工作稳定可靠，流程相对清晰以及具有较高的精度的优势，并实现了距离的实时显示。
检测技术的不断深入发展对超生检测仪器设备功能要求越发提高，单数码显示的超声波测量仪将带来较大的检测误差。从而对超声波测量仪的功能提出了要求，相应的超声波测距仪应具有双显以及微处理功能。传统的测距方式在较为特殊的测量场合存在难以克服的缺陷，例如在液面、井下测量等特殊的测量场合下，相应的超声波的测量将受到较大的限制。由此，基于单片机的超声波测距仪的研究具有十分重要的现实意义和实践价值。
二、超声波测距系统设计原理
超声波测距是通过不断检测超声波在发射后遇到障碍物所反射回波，并且测量出从回波发射到接收的时间差，从而得到距离。超声波幅度、反射物的质地、反射和入射超声波之间形成的夹角以及接收器的灵敏程度都将对超声波系统的最大测距产生影响。而最小可测距离则受到接收换能器对声波脉冲的接收的直接影响。为扩大相应系统和设备所能测量的范围，减少系统测量误差，在具体的测量中，可采用多个超声波换能器作为发射或接收超声波的方式提高测量精度。当测距系统所发射的超声波从空气中直接射入汽油、木材以及钢材时，能产生全反射。由此，相应的反射回波将具有足够的能量被探头接收，为超声波的测距奠定了良好的基础。
相应的试验表明，超声波的测距是通过超声波发射传感器向某一方发射超声波，在超声波的发射同时计时开始，超声波在空气中传播，当遇到障碍物则返回，系统的超声波接收器在收到回波则计时停止。常温状况下超声波在空气中的传播速度为C=340m/s，根据系统所记录的时间，则可计算出发射点障碍物的距离，也就是：s=c*t/2=c*t0(t0就是渡越时间)。
三、超声波测距系统硬件设计总体方案
基于上述超声波测距系统设计原理，可实现对超声波测距系统的硬件设计。基于单片机的超声波测距系统，实际上是利用40kHz的方波，在经过了发射驱动电路的扩大后，使超声波的传感器发生震荡，并发射超声波。在超声波发射回来后，在由传感器接收，经过电路放大、整形以及单片机的响应，计算出相应的距离。由此，该超声波测距系统选用40KHz的超声传感器，包括超声波的接收传感器SZW-R40-10P和发射传感器SZW-S40-12M。
单片机在设计中的任务在于以单片机为核心，构建硬件以及软件部分构成，以一定的电路为配置，实现了具体的功能，并完成一定的任务。硬件是超声波测距系统的基础，而软件则在于以硬件为基础，实现对相应资源的合理配置和使用，从而实现系统所应完成的功能的基础。系统的任务不同，其配置的软件也将不同。
MC68HC908GP32单片机是Motorola公司的第2代8位微控制器，具有较高的性价比，由此适用于中小型的MCU开发商以及生产商。这类MCU的指令集精简，使用户易于掌握。相应的内部硬件资源包括：片内307字节的监控ROM，32KB的片内FLASH存储器和512B RAM，33根通用的I/O引脚，2个16位的双通道定时器接口模块，外部中断，同时具有看门狗监视复位，低电压极限检测复位，非法指令检测复位等，保证系统的顺利运行，使系统避免进入死循环。
首先应设计发射电路，相应的频率发生器的40kHZ方波应进行放大后才能驱动超声波传感器发射超声波，那么实际而言，发射驱动器实际上是信号放大电路。通过集成芯片实现电路放大的结果。
其次，应设计系统的接收电路。在超声波接收头接收到了超声波后，应将接收到的超声波转换为电信号，而转换而来的电信号相对较弱，应将信号放大，产生了正弦信号，其频率为传感器的中心频率，也就是40kHZ。转换后的信号通过高通滤波后经过放大，最终经过二极管整形后输出到单片机的中断口。
最后，应通过单片机最小系统和接口电路的完善，实现系统的测距功能体系。在工程设计中，信号的输入往往难以完全适应设计的要求，从而应对原有的系统设计进行调整，从而保护电弧，并根据实际系统状况完成电路的设计。由此在超声波的信号接入单片机前，应对信号进行预处理，从而实现幅值的调整。此外超声预处理电路还能协助单片机实现部分的信号处理算法。用硬件实现平方滤波，从而减少单片机负担。
参考文献
[1]王智勇.基于89S52的超声波测距仪设计[J].科技信息,2011(19).
超声波传感器篇(7)
关键词：超声波； STC89c51； 报警系统； 倒车
中图分类号：TN710.1134 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2012)10000603
基金项目：国家自然科学青年基金（41105008），山东省科技攻关计划课题（2009GG10004033）0 引 言
超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等到优点，经常用于测量距离。本课题研究超声波在空气中传播速度为340 m/s，运用超声波进行距离的检测，误差小，成本也低，具有实用性等优点。
1 硬件设计
本文设计的倒车雷达系统原图如图1所示。
图1 系统原理框图硬件主要有超声波发射和接收电路，单片机处理电路，显示电路和警报电路。
1.1 超声波发射电路
通过单片机产生40 kHz的脉冲，经过三级放大器后传递给超声波发射传感器，超声波发射传感器采用CSB40T，传感器将接收到的脉冲信号经过内部振荡器转化为机械波在空气中传播。超声波是指频率高于20 kHz的机械波。发射和接收超声波的装置叫作超声波传感器。超声波传感器利用压电效应将电能和超声波进行转化，发射超声波时转化电能，接收超声波时，将振动的超声波转化为电信号。
单片机P1.0产生40 kHz的脉冲，脉冲宽度为12.5 μs，把脉冲波传出的同时打开To计时器，计算超声波在空气中的时间。通过定时器1产生40 kHz的脉冲，用示波器测来决定定时器的初始值。脉冲经由74HC04放大后传给CSB40T传感器，74HC04具有对称的传输延迟和转换时间，是一个高速CMOS六反相器， CSB40T就把超声波发射出去。
1.2 超声波接收电路
超声波以机械波的形式传播，而单片机只能处理脉冲波，所以超声波经过接收传感器后既要通过放大又要经过整流。超声波接收电路包括超声波传感器，放大器，滤波整形等电路。
空气中的超声波能量低所以要经过放大后才不会被噪声淹没，所以放大器增益要够大并且增益可调，而超声波接收传感器型号要与发射探头一致，这样会选择性的接收40 kHz 机械波，从而滤除其他频率的噪声。整形电路就是将接收到的机械波通过比较器转化为单片机可接受的脉冲波，用脉冲波的第一个上升沿去接D触发器的时钟，这样就可以将触发器的Q的非接单片机的外部中断，外部中断设置为下降沿触发，这样就把车与障碍物之间的传播时间测出来了。放大器采用通用的LM324，每一级放大倍数为10，比较器采用LM393。LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，采用2个内部补偿，二级运算放大器，第一级不仅完成增益功能，还完成电平移动和减小跨导的功能。而且，单电源模式下无论是输入器件还是差动到单端变换器都不会饱和，第二级含标准电流源负载放大器级。图2为一级放大器。
图2 一级放大器LM393是由2个独立的高精度电压比较器的集成电路，失调电压低，无论电源大小，电源消耗的电流都很低，即使是单电源供电，比较器的共模输入电压范围接近地电平。它具有的独特的优点是，双电源供电时，它能兼容CMOS逻辑电路。具有成本低优点。本文采用方案一。图3为比较整流器。
图3 比较整流器1.3 报警电路
采用常用的蜂鸣器，如果计算出的距离小于1 m大于0.5 m时，蜂鸣器间断性的发出滴滴声，当距离小于0.5 m时，蜂鸣器连续的响，以提示驾驶员倒车时注意间距。也可以采用自动语音电路，但如果仅仅起到报警功能的话，有不同的警报声就可以了。该方案不仅可以达到预想功能，还有电路简单、成本低、易编程等优点。
1.4 显示电路
使用2个数码管，当距离在0.5 m和1 m之间时显示11，距离小于0.5 m时显示00。数码管简单实用，编程简单，成本低。数码管位选接在P2.0和P2.1口，段选接在P0.0~P0.7口。使用上拉电阻驱动。选用共阴极。本文采用方案一。
1.5 单片机介绍
STC89C51有4组8位的并行I/O口，RAM为128 B,4 KB的FLASH，片内程序存储器外部可扩展到64 KB。1个全双工的串行口。5个中断源，（顺序分别为：外部中断0，外部中断1，定时器0，定时器1，串行中断），2个中断优先级，2个16位的定时/计数器（有4种工作方式）。本文使用外部中断零和定时器0和1。定时器1中断时P1.0口就反相，结果输出所需的脉冲。定时器0用来记录脉冲发射到脉冲接收到的时间。单片机不断检测外部中断0，一有中断即表示已接收超声波。定时器有4种工作方式，本文采用方式2，即M1，M0为10。定时器为自动恢复初值的8位定时器。即当TLx计数溢出时，在溢出标志TFx置1的同时，还自动将THx中的初值送至TLx，使TLX从初值开始重新计数。并且当有溢出标志置1时，定时器就进入中断。定时器1进入中断后，P1.0反转，定时器0进入中断后，时间加一周期。单片机晶振为11.1592 MHz，一个指令周期约为1 μs，40 MHz的脉冲一周期为25 μs。所以通过设置定时器的初值用示波器测出产生的脉冲周期。
图4 算法框图2 软件设计
软件设计模块化，由超声波发射子程序、超声波接收子程序、数码管显示子程序、警告子程序、距离计算子程序及主程序组成。算法框图如图4所示。C语言具有移植性好等优点。本文采用C语言编程，Keil软件编译，Protues或Protel99se画图。先初始化，定义位声明等，发射超声波时打开定时器，检测到超声波时先关闭定时器，关闭中断以防止嵌入中断干扰，调用距离测量子程序，若距离在危险距离时显示系统就工作并且打开警报系统，然后让中断恢复。
3 系统仿真过程
（1） 单片机产生40 kHz脉冲产生了周期为25 μs左右的脉冲波。单片机产生40 kHz的方波如图5所示。
图5 单片机产生40 kHz的方波（2） 接收的波经过比较器后为脉冲波，最终单片机要接收的信号如图6所示。
图6 最终单片机要接收的信号4 结 语
本文使用超声波的速度为340 m/s，超声波传播的速度与温度有关，本文没有用温度传感器实时的测量空气温度；超声波发射时会留有余波，所以在超声波发射的同时就打开定时器记录时间可能会受余波的影响，会导致计算距离误差。
该系统是基于8051单片机，利用超声波进行距离检测的设计，通过超声波在空气中的传播速度和所用时间测出车与障碍物间的距离，当车与障碍物之间的距离小于一定值时警报系统就会自动启动，而且不同距离的警报声是不同的。警报响的同时数码管显示大致的距离，提示驾驶员倒车注意，预防可能出现的摩擦或碰撞，减小可能存在的倒车隐患。该设计具有精确度高，成本低等优点。
参 考 文 献
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