壓電式超聲波發(fā)生器原理

　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。

　　超聲波測距原理

　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測距法。

　　超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。

　　測距的公式表示為：L=C&TImes;T

　　式中L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。

　　超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米，但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級。

　　由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時(shí)間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。

　　超聲波測距誤差分析

　　根據(jù)超聲波測距公式L=C&TImes;T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。

　　時(shí)間誤差

　　當(dāng)要求測距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。

　　在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。

　　超聲波傳播速度誤差

　　超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，如表1所示。

　　已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：

　　式中： r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，

　　R —氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，

　　M—氣體分子量，空氣為28.8&TImes;10-3kg·mol-1，

　　T —絕對溫度，273K+T℃。

　　近似公式為：C=C0+0.607&TImes;T℃

　　式中：C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s;

　　T為實(shí)際溫度(℃)。

　　對于超聲波測距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到5m，測量1m誤差將達(dá)到5mm。

　　使用注意事項(xiàng)：

　　1.由于超聲波受環(huán)境和氣候條件影響較大，在使用時(shí)最好選在天氣比較晴朗的時(shí)候。

　　2. 超聲波測距儀是根據(jù)儀器發(fā)射和接收被測物體反射波時(shí)間的原理來計(jì)算距離的，所以使用時(shí)請注意在所測距離的空間內(nèi)盡量不要有其他物體，否則會造成多重反射而影響測量準(zhǔn)確度。

　　3.由于超聲波的波角比較大，因此在測量時(shí)請注意在儀器前端周圍不要有物體(比如桌面等)。放在固定位置測量時(shí)，要將儀器的前端凸出于放置物體的表面(比如凸出于桌面外一點(diǎn))。

　　4.測量時(shí)請保持儀器和被測距離的物體表面間成直角狀態(tài)，并盡可能使儀器本身保持水平或垂直的形態(tài)。

　　5.夏天使用 超聲波測距儀時(shí)，如果是手持測量，最好在手上拿的時(shí)間不要過久，以免造成儀器過熱而影響正常工作。