超声波检测的基本原理范例(3篇)

超声波检测的基本原理范文

关键词：船舶超载；超声波；测距；自动检测及报警

中图法分类号：U665.262文献标识码：A

Theship’soverloadautomaticdetectionandalarmsystembasedonultrasonictechnology

Abstract：Astheship’soverloadsituationinourcountry，usingtheultrasonicnon-contactrangingprinciple，introducesakindofship’soverloadautomaticdetectionandalarmsystemwhichbasedonsinglechipmicrocomputercontrolultrasonictechnology.Thissystemcanreal-timedetecttheshipstatus，whichnotonlysolvedthelawenforcementpersonnelrandomlyinspect30%oftheshipsthatcausedomissionproblemsbutalsohashighaccuracy，simplestructure，lowcost，easymaintenanceandothercharacteristics.Thissystemcanbetterguaranteethesafetynavigationofships，hasgoodpopularizationvalue.

Keywords：ship’soverload；ultrasonic；distancemeasurement；automaticdetectionandalarm

0前言

近年来，随着我国航运业的蓬勃发展，航运安全问题也正逐渐凸显，水运交通安全已经成为海事部门监管一项重要内容，其中超载管理又是减少水上交通事故的重中之重。船舶超载运输历来是水上交通安全中较为普遍的违法现象，同时也是造成水上交通事故频发的主要原因，据业内人士统计水上交通事故中90%以上与船舶超载运输有关，故船舶超载被称为影响航运安全的“头号杀手”。然而针对这种问题，目前监管机关只能通过执法人员现场勘查来判断船舶是否超载，并规定随机抽取30%的船舶进行现场超载执法检查，造成物力、人力和财力的巨大浪费，不仅因无法覆盖全部船舶检查而导致船舶存在超载的安全隐患，还存在检查不准确等缺点，因此本文介绍的船舶超载自动检测及报警系统将为保证船舶安全航行起到积极作用。

1超声波测距的基本原理

本方案主要以AT89C52单片机为控制核心，利用超声波沿直线传播、强度大、方向性好、在空气中传播遇障碍物反射的特点，测量超声波探头到水面的距离。超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到水面反射回来时被超声波接收器接收。只要对超声波信号从发出到收到的时间t进行记录，就可算出超声波发生器与水面的距离D。距离的计算如式（1）所示：

D=■=c|t（1）

其中：D为超声波探头到水面的距离，S为声波来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

由于超声波在空气中的传播速度与温度T（单位：摄氏度）有如下关系：

c=331.6+0.6107T（2）

在常温下，温度每变化1摄氏度，超声波速度变化约为0.6m/s，所以通过测温电路测量出当前温度，就可以计算出超声波在当前温度下的传输速度。进而通过公式（1）计算出此时的距离。

2超声波船舶超载远程检测及报警系统的硬件设计

2.1系统原理

本系统以AT89C52单片机为核心，协调各部分电路的工作。利用单片机来控制超声波的发射、对超声波发射和接收的时间差进行计时，从而得出超声波探头到水面的距离。由单片机执行程序产生40kHz的方波脉冲信号，驱动超声波传感器发出40kHz的超声波脉冲。当超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的时刻，计数器停止计数，这样就能够得到发射和接收信号的时间差t。同时温度补偿电路也将采集到现场环境温度送到单片机，对计算距离的超声波速度进行修正。最终单片机通过公式（1）、（2）计算出超声波探头到水面的距离。由于船舶的测量环境较为特殊，故为避免船舶摇摆产生误报警，本系统采用延时报警原则即：测量值连续1min小于船舶安全航行的设定值，则发送报警信号到无线报警信号发射系统，从而实现船舶超载远程检测实时报警的目的。系统原理框图如图1所示。

2.2超声波发射电路

超声波发送模块以超声波发射探头为核心，由单片机的P0.0端口发送频率为40kHz的信号，由于单片机自身产生的信号驱动能力不强，因此使用19012三极管对该信号进行驱动放大，驱动压电晶片超声波换能器产生超声波，超声波发射电路如图2所示。超声波发射子程序的流程是，在发射超声波的同时启动单片机的计数器开始计时，当完成超声波发射时，定时器完成计时，同时重新清零准备下次发射。

2.3超声波接收电路

该系统的超声波接收模块由超声波接收探头和红外线接收处理芯片CX20106A组成。超声波在空气中传播的过程中，其能量会随传输距离的增大而衰减，在测距系统中反射的回波信号会比较弱，所以超声波接收电路时要有较大的放大倍数；另外为减小环境噪声对回波信号的影响，同时也要考虑选用滤波特性较好的电路，使回波易于检测。本系统使用红外线接收处理芯片CX20106A作为接收电路的核心，因为红外遥控常用的载波频率为38kHz接近测距系统的超声波频率40kHz，并且CX20106芯片具有很强的抗干扰能力，该芯片电路简单，其中心处理频率可以通过电阻来调节，接收电路灵敏度和抗干扰能力也可以通过改变电路的电容大小来改变，如图3所示。超声波接收子程序的流程是，利用INT0中断检测回波信号，若有回波信号（INT0口低电平）就关闭外部中断，同时停止计时器的计时，将测距成功标志位标记为1（测距成功），同时提取时间值，计算待测距离，保存最终结果后打开外部中断，等待下次测量。

2.4温度补偿电路

由式（2）可知，超声波的传播速度v受温度影响较大，若不设置温度补偿，将会给测量结果带来误差。因此，为了提高系统的测量精度，采用温度补偿系统来补偿外界温度对测量结果的影响。

该系统中采用数字温度传感器DS18B20对现场温度进行采集，DS18B20是单线串行数字温度传感器，可直接与单片机连接并且接线形式简单，其测量范围是-55～125℃，在-10～85℃范围内，测量精度为±0.5℃。具有不受外界干扰、精确度高、测量范围宽等优点，适合于恶劣环境的随船温度测量。

DS18B20的读写数据在一根I/O线上进行，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。温度补偿电路的设计如图4所示，数据输入/输出脚连接到单片机的P0.1脚，电源接口接入+5V的电压，外加5.6Ω的上拉电阻，因为DS18B20是单总线温度传感器，数据线是漏极开路，如果DS18B20没接电源，则需要数据线强上拉，给DS18B20供电；如果DS18B20接有电源，则需要一个上拉即可稳定的工作。由于DS18B20在使用中不需要任何元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，检测的温度值在内部进行转换，温度测量结果直接以数字信号输出，单片机对由DS18B20输出的信号进行读取，经过软件对温度数字值实现处理。

2.5GSM/GPRS无线通信模块

本系统采用SIM300模块来实现无线通信，SIM300是支持GSM和GPRS双模式的小尺寸和低功耗无线通信模块，支持短消息、数据传输、语音和传真业务，可以在EGSM900，DCS1800，PCS1900等3个频率段工作，提供RS232全双工数据口，使用AT89C52单片机指令进行控制。单片机和SIM300通过串口进行通讯，当无线通信模块收到来自单片机的报警信号时，该模块向岸端的海事监管部门发送报警信号及相关信息，达到随船实时检测及报警的目的。其硬件结构图如图5所示。

3超声波船舶超载远程检测及报警系统的软件设计

为避开超声波测量盲区和保证设备的可靠性，原则上将超声波传感器安装在船舶载重线上方60cm处，由于船舶受波浪影响，其测量环境较为特殊，故在软件上采用延时1min报警原则，以此来提高系统的精确性，防止误报警现象的发生。

首先为系统运行的准备部分包括：进入系统初始化环节，设定最小安全航行距离（默认为60cm）和完成对环境温度的采集，以确定该温度下的超声波速度；然后为系统的计算测量部分：通过数值处理程序，算出环境温度所对应的声速以及超声波发射和接收信号的时间间隔，进而计算出超声波测量探头到水面的距离；最后进入分析报警部分，对测得距离与最小安全航行距离进行对比分析，若测量值连续1min小于最小安全航行距离，则发出报警信号到无线通信模块；若没有发生该情况情况，则进入下一个测量周期。主程序框图如图6所示。

4结束语

本系统充分考虑船舶所处环境的特殊性和波浪影响的复杂性，在避免产生误报警的同时有效提高了测量精度。同时本系统所具有的远程检测及报警功能，既可以实现随船检测，达到远程实时监控的目的，又可以有效避免海事执法人员随即抽取船舶而产生的遗漏问题，在提高船舶航行的安全性的基础上，大大节省人力、物力和财力，具有较好的应用前景。

参考文献

[1]魏海军.一种检测船舶超载的系统.中国.发明专利，专利号：CN102815380A，2012.

[2]陈清彬.超声波液位检测报警系统在船舶上的应用研究[J].船电术，2011，31（2）：56-60.

[3]胡纪平.基于单片机和GSM模块的红外探测远程报警系统[J].电子测试，2012（11），49-51.

[4]朱国斌，宋明祥.船舶超载运输的危害、成因与对策[J].水路运输文摘，2004（4）：34-35.

[5]夏淑丽.基于单片机的超声波汽车报警系统的设计[J].电子设计工程，2013，21（9），152-154.

[6]罗宁.内河船舶吃水自动检测装置研究及应用前景[J].中国水运，2012，12（2）：86-88.

[7]陶洁.基于AT89C52单片机的超声波测距仪的设计[J].电子设计工程，2012，20（2），135-140.

[8]朱世虎，何培忠，王立巍.基于AT89S52超声波测距仪设计[J].仪表技术，2009（6）：22-24.

超声波检测的基本原理范文

关键词：混沌理论；车载超声测距系统；应用

超声波法是非接触测距中比较常用的一种，虽然具有很多独特的优点，但它在传播过程中衰减比较大。随着信号处理技术和计算机技术的发展，许多新的理论方法应用于超声波信号的去噪处理，很大程度上使得超声波测距的测量精度和灵敏度有所提高。混沌理论是非线性科学最重要的成就之一，近年来发展迅速，是信息检测技术的一个主要发展方向。

用混沌振子检测理论检测车载噪声环境下的超声回波信号，是混沌理论在微弱信号检测方面的一个应用实例，其研究目的就是论证混沌振子检测理论在实际的超声波测距中的可行性与实用性，并为混沌检测理论用于实际产品开发提供理论指导和实现依据。

1超声波测距系统硬件设计

超声波测距系统硬件实现总体框图如图1所示。

图1超声波测距系统硬件实现总体框图

本系统中，控制芯片MCU是实时控制和数据采集的核心器件。本论文中控制芯片需要承担以下任务：设定工作方式，产生40KHz的方波脉冲信号，经功率放大后驱动超声波换能器产生超声波；控制超声波接收的运放增益变化；超声波数据的A/D转换，采集补偿温度与车速，并将转换后的超声波数据和校正数据传送给计算机。本系统综合考虑混沌振子非线性检测对数据采样精度和采样时间的要求、USB数据传输的实现等方面，最终选用Atmel公司的AT32UC3B0128。该型号的MCU是一款高性能、低功耗微控制器，32位RISC处理内核（指令集包含DSP指令序列）、频率高达60MHz、内部128KBflash。在数据转换方面，集成了8通道、最高10位的A/D转换器和7通道16位的PWM；在数据传输方面，集成3个USART接口、400kbit/sI2C总线、SPI总线等。最重要的是它包含OTG协议的全速USB2.0接口，使得由该芯片构成的数据采集系统可以自由地作为通信的主机或与PC机通信的从机。该款芯片性价比较高，在满足电路需要的前提下，具有实现方便、稳定、耗电量小、体积小等优点。

1.1数据的A/D转换

A/D转换器就是将模拟信号值编制转换成适合于数字处理的二进制码的编码器。使用时需要参考下述性能指标：A/D转换器的位数、转换速率、A/D转换器量程、偏置极性、满刻度误差等。从采样要求来看，在使用10位转换精度的A/D转换器时，MCU时钟频率为8MHz，最大转换时间为2us，能满足系统设计要求。在实际应用时，还要注意A/D转换器对电源电路的要求。这是因为电源电路除了给MCU供电外，还要给A/D转换器供电，并在使用外部电压做基准时为A/D转换器提供基准电压。根据以上分析，本论文选用了Maxim公司的低压差线性稳压器MAX8875进行稳压，及电压基准芯片MAX6190来提供稳定的2.048V外部参考电压。

1.2USB数据通信

USB即通用串行总线（UnivesralSerialBus），具有传输速度快、支持热插拔、支持双向和同步、性价比高、对外可提供500mA、主流操作系统普遍支持、协议纠错能力强等优势。本文使用AT32UC3B0128芯片集成的OTG标准的全速USB2.0（480Mbps）接口。

1.3补偿温度获取

温度是影响超声波测距精确的主要因素，所以本文主要考虑超声波测距的温度补偿。本文采用DS18B20来获得补偿温度。该芯片可以实现9～12位的温度读数，相应的测量精度最高可达0.0625℃（12位），12位分辨率时的温度转换时间不超过750ms，测量范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内误差为0.5℃，且芯片最大的特点是采用单总线方式通信，且每个DSl8B20具有固定的唯一序号，可以实现将多个DSl8B20存放在同一条单线总线上，满足在不同地方放置温度敏感器件的需要。

1.4校正车速获取

一般的测速装置主要有脉冲计数装置、编码技术等。本文选用数字编码器来进行校正车速的测量。其测速原理是：数字编码器输出代表速度快慢的脉冲，单位时间内脉冲数越多说明车速越快，将输出的脉冲输入到MCU的一个I/O口，通过MCU的捕捉功能就可以获取校正车速。

2Duffing振子在超声波测距中的应用实验研究

根据系统设计总统框图，将被检测的信号作为系统内部周期激励的摄动引入Duffing振子系统。假设待测信号的形式为

，其中为待测信号幅值，为噪声。则混沌系统方程为：

信号检测时，首先设置系统参数：步长，阻尼，内驱动力幅值。为观察混沌振子对微弱信号的检测能力，本文对频率为的超声波信号进行实验分析，采用减少发射电压和增大探头间距增大的方法来获得较微弱的超声波信号。假定原始信号中，噪声强大看不出明显的超声波信号特征。为了利用间歇混沌来确定待测信号的频率，我们取参考信号频率略小于超声波信号的频率。系统本质上是一个离散动力系统，选取的步长不同，因此导出的离散系统也不同。特别是在系统从混沌状态到有序状态转变时，不同的步长值将导致分叉值明显不同。将被测信号输入Duffing振

。若采样频率为，那么一周期内的采样点数

，因为在和之间必须满足关系（3）：

当时，相变域值约在0.7附近，这里取参考信号幅值，目的在于保证检测过程的可靠性。

图2振子响应

图2为最后的实验结果。从图中可以看到明显的间歇混沌。根据横轴可知，间歇混沌的周期约为20000步，由于所取步长为0.0248，所以周期为20000*0.0248=560s，即：

可得到：

最终检测到的外界信号频率为：

由于实际信号的频率为40.01KHz，所以相对误差为：

由此可见误差很小，本系统可以准确地检测出强噪声背景中的微弱信号。

接下来我们计算一下本系统所能检测到的最小信噪比。系统，能检测到、噪声均方根值

的微弱信号。当增加到2.31时，相点基本上仍作周期运动，也会偶尔回到混沌区，但系统本质上是稳定的。当增加到2.5时，系统的周期运动已经被破坏，由于噪声过大，系统已经不能检测到信号了。因此，得到可检测的最小信噪比为：

3系统性能参数

经过实验，最终得到利用混沌振子检测超声波的测距系统的性能参数如下：

最大测量距离：30m；

盲区：

测量精度：±0.2%；

分辨率：2mm。

4小结

目前，超声波测距系统的最大测量距离可以达到20m，测距精度为±1%，最高的也不超过±0.5%。应用混沌振子算法后，这些性能指标都改善很多，而且最小信噪比达到了-64.27dB，可见，混沌振子检测理论可以大大提高超声波测距系统的性能。

参考文献：

[1]尹成群、赵华、尚秋峰等，基于混沌检测理论的车载微波测速测距安全预警系统的研究，ModernScientificInstruments，2006，2：3-33.

[2]基于Duffing振子的微弱信号检测，长春：吉林大学信号与信息处理专业，2005.

超声波检测的基本原理范文篇3

关键词：超声波测距技术；汽车维修；检测

前言

在汽车故障检测的过程中，由于人工检测存在着很大的误差，不利于维修工作的顺利开展，因此，需要借助于一些检测技术，采用智能检测的方法进行检测，这样才能够确保检测的准确性。在如今的汽车维修行业中，超声波测距技术被广泛的应用于汽车故障检测中，超声波测距技术具有检测的准确性高，检测时间短等优势。在汽车检测实际应用的过程中，需要了解超声波测距技术的相关原理及其影响检测准确性的相关因素，才能够利用超声波测距技术做好汽车维修与检测工作，下面针对于超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用进行了具体的探讨。

1超声波测距技术原理

超声波测距技术主要是利用压电晶体的谐振进行工作的。主要就是通过测得的超声波的时间进行距离的测定，并且根据数学公式：速度×时间=距离。而在汽车维修检测中，也是通过运用超声波测距技术的原理进行故障的检测，进而运用速度，时间和距离的关系分析出汽车故障的位置及其原因[1]。

2超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用

2.1在单元电路设计中的应用

在汽车维修和检测的过程中，会经常用到控制电路、超声波测距电路、显示电路、语音播报电路等，这些都属于单元电路，在本文中提到的超声波测距技术在这些单元电路中都有应用。例如，控制电路在设计上是通过一个系统板来控制电路发射出一连串的信号，再经过放大来接受反射回来的信号，通过信号的发射和反射，可以计算出相应的距离，然后再通过LCD显示模块将其显示出来，并进行语音模块将信息播报出来[2]。超声波测距电路与控制电路有些相似，开始也是要通过特点的传感器来发出信号，有所不同的是它要被动的接受信号，并不是通过反射来接受的，而，是通过超声波的发射到接受的时间差实现测量距离的；显示电路主要应用到LCD液晶显示器上，是通过传感器超声波发出到接受的过程来测定车辆与障碍物的距离，并通过LCD液晶显示器显示出来；语音播报电路与LCD显示器一样都是一种本身具有的表态形式，将超声波测量、检测的结果用语音的形式播报出来。可以通过这些单元电路来检测车辆的形式动态，另外还有很多设备中也应用到超声波测距技术，这些软件对车辆的维修和检测工作都起到了重大作用[3]。

2.2在软件设计中的应用

超声波的发射和接受程序软件，在汽车维修和检测中经常用到，例如，计时器的开始计时和结束计时，是通过超声波的发射来启动计时程序，主要是采用超声波发射序列来实现定时的功能，再通过外界方波的序列终端计时程序，使计时结束；液晶显示程序软件，是与超声波有着密不可分的联系，尤其是显示器上的颜色指示灯，可以根据超声波的超差距离、实测距离、合格距离等综合判断来显示不同颜色的指示灯，明确的表示出汽车的检测状态。

2.3超声波在汽车检测中的设计方案比较

超声波应用到汽车检测设计中，主要以三种检测方案进行的。（1）直接检测方式，是对两个不同的位置进行直接检测的方式，检测结果经过视频放大器可以设定多倍显示，但是，这个过程中需要使用变压器，不利于相关的调试工作；（2）一体式反射检测方式，需要做好发射和接受时电路的转换工作，该检测方案如果是在距离较近的情况下，会存在无法检测的盲区，而且，在试用中很容易产生震荡的现象，使汽车的检测工作不准确；分体反射检测方式，是一种串联方式的检测方案，在这种串联谐振频率下，超声波的发射器可以具有较高的灵敏度，而且，接收器还会在反谐振平率下也一样具有较高的灵敏度[4]。因此，使用分体式反射检测方式，不仅便于调试，而且，在检测的过程中就算距离近也不会产生盲区的现象，有效的提高汽车检测的效率，但是，在使用该方式时需要注意的是，由于使用的超声波接收器的电压高低之间大概有100倍的差距，因此，必须要采用高速型的运算放大器才能让这种检测方式发挥出更大的检测效果。

3影响超声波测距技术的因素

3.1温度

在应用超声波测距技术的过程中，需要充分的考虑温度对其的影响，如果汽车维修人员在采用该技术进行检测的过程中，忽略了温度，将会严重的影响到检测结果的准确性。主要是由于温度的变化会影响到超声波的传播速度，并且温度越高，超声波的传播速度会越快，进而影响到计算结果的准确性[5]。因此，在采用超声波测距进行检测的过程中，需要根据大气的温度，确定超声波的传播速度，再进行计算，这样才能够确保检测结果的准确性。

3.2接收脉冲的变化

接收脉冲的变化也对超声波测距技术检测的准确性具有影响。由于超声波具有衰减的特征，而在实际的检测中，在接收脉冲的过程中，存在着一定的延时性，这样在具体的对超声波进行计算的时候，就会出现一定的误差，影响到计算结果的准确性。因此，在汽车维修检测的过程中，需要充分的考虑到接收脉冲的变化。

3.3信号传递中的漫反射

由于在超声波传播的过程中，会受到物体的影响导致漫反射问题的出现，进而影响到检测的结果。因此，要想在实际的测量中避免这类问题的出现影响到检测的准确性，需要根据实际的检测地点，选好检测的角度，尽量的减少信号传递过程中的漫反射，有助于检测结果的准确，为汽车维修工作提供有效的数据依据[6]。

3.4直达波的影响

在利用超声波测距技术进行检测的过程中，还会受到直达波的影响，由于一部分脉冲会被测物体传播并反射到接收头，而另一部分脉冲会直接传播到附近的接收头，进而导致测量误差的出现，如果在进行结果计算的过程中，采用该种结果进行计算，会严重的影响到检测结果的准确性，不利于检测工作的顺利开展。

4结束语

本文主要针对于超声波测距技术在汽车维修与检测中的应用进行了具体的分析和研究，通过本文的探讨，我们了解到，在汽车维修行业应用超声波测距技术的时候，需要全面的了解其原理及其影响超声波测距技术的各种因素，进而根据汽车维修和检测的实际特点，在检测的过程中对于各种影响因素进行规避，能够有效的减少测量误差的出现，提高检测的准确性，使超声波测距技术更好的为汽车维修工作服务，促进汽车维修工作的顺利进行。

参考文献

[1]仇成群，胡天云.基于超声波的汽车防撞报警系统的设计[J].制造业自动化，2009（04）.

[2]魏泉.超声波测距技术在轨道吊防撞功能中的应用[J].港口科技，2009（07）.

[3]王祖麟，谢毓.超声波测距在汽车停车泊位中的应用[J].轻型汽车技术，2009（Z3）.

[4]廖通.汽车维修故障诊断的实用方法[J].科技创新导报，2009（24）.