超声波的基本原理(6篇)

超声波的基本原理篇1

【关键词】无损检测；混凝土结构；超声检测技术

随着混凝土结构的广泛使用，其质量检测和性能评估是目前土木工程界迫切需要解决的问题。由于结构混凝土无损检测技术能反映结构物中混凝土的强度、均匀性、连续性等各项质量指标，对保证新建工程质量，以及对已建工程的安全性评价等方面具有无可替代的重要作用，因而越来越受到人们的重视。

1超声检测技术概述

超声法是一种广泛用于混凝土缺陷探测的方法，混凝土的物理力学性能与超声波在其中的传播速度及其他声学参数有很好的相关性。超声波的探测精度能满足缺陷探测要求，但以目前的超声仪及换能器，当超声波换能器正对测试时，在混凝土中的最大穿透距离只能达到10m左右，而当换能器错开一定距离时，穿透距离仅能达到2、3m。显然超声波换能器无法满足长距离探测的要求。采用稀土超磁致伸缩材料制作的超磁致换能器，具有发射功率大、发射频率高、穿透距离远、接收信号频带宽、重复性好、余振短等优点，能够同时兼顾到传播距离及检测分辨率，是一种理想的长距离探测震源。超磁致换能器发射中心频率为10-50kHz，处于可闻声波及超声波频段。将超磁致换能器和超声波换能器发射产生的应力波统称为声波。

目前，超声探伤常用的缺陷分析判断方法有经验法、数理统计法、数值判据法和模糊判别法。经验法，即依据超声探伤的基本原理判别缺陷。其结果依赖于检测人员的实践经验，漏判和误判严重。数理统计法简单易行，但是只能对单个声学参数进行统计意义上的判断，且物理意义不明确。数值判据法须根据测试值建立合理的物理模型，经适当的数学处理后，找出一个可能存在缺陷的临界值作为判断的依据。模糊判别法是计算各声学参数相对于正常获异常的隶属度，然后将各个声学参数加权平均得到综合的相对于正常或异常的隶属度。由于测试分析方法本身的局限性，以上方法仍处于定性或半定量水平，都只对缺陷的定位具有一定精度，而对缺陷的大小、形状及性质难以给出定量的结果，从而给最终准确评价带来困难。超声波的频率范围为20kHz至15MHz，超声发生器则是由产生超声频振荡的电子线路和换能器(传感器)组成。超声层析的应用范围很广，早在世界二次大战期间，超声层析在军事监测方向就获得了比较满意的效果，以后更广泛地应用于医学之中；此外，超声层析在工业无损探伤方面用途也很广。

2超声无损检测技术在工程中的运用分析

超声无损检测属于弹性波法。在各种无损检测方法中，超声无损检测是当前无损检测工作中研究最活跃、发展最快的检测方法。目前，超声脉冲检测技术已成为检测工程结构质量的重要手段之一。其主要优点是有效探测距离长，测试精度高，设备简单且无污染。

将超声技术技术应用于混凝土质量检测中，其理论依据是混凝土的质量与声速有较好的相关性，首先在被测混凝土结构物某断面上，将测区划分成网格，发射换能器在一侧某点发射，接收换能器在另一侧所有点上接收，使每个网格都有2条以上的测线通过，利用声时通过反演技术获得测区各部分的波速分布图，从而确定缺陷区的位置、尺寸以及缺陷本身的波速，推断缺陷的类型、强度等。

2.1超声无损检测的基本原理

根据弹性波的运动学和动力学特征，弹性波层析成像方法可以分为两大类：一是以运动特征为基础的射线层析成像；二是以动力学特征为基础的波动方程层析成像。

作为反演声波穿透的射线层析成象，其基本思想是根据声波的射线几何运动学原理，将声波从发射点到接收点的旅行时间表达成探测区域介质速度参数的线积分，然后通过沿线积分路径进行反投影来重建介质速度参数的分布图像。

混凝土声波CT无损检测技术就是根据声波射线的几何运动学原理，利用最先进的声渡发射、接收系统，在被检测块体的一端发射，在另一端接收，用声波扫描被检测体，然后利用计算机反演成像技术，呈现被检测体各微小单元范围内的混凝土声波速度，进而对被检测体作出质量评价。

2.2观测系统布置

根据混凝上结构物的形状特点，对结构物常用的测线布置方式为：白色点为接收点，黑色点为激发点。理论及实践都证明，三侧激发一侧接收，所得反演效果最好。射线密度达到要求。一般检测过程中测线都采用该方式布置，激发边和接收边道间距，1般在20-50cm范围。在结构物两端的部份，可适当加密激发点和接收点，以利于增加射线密度。根据结构物的临空面不同，可采用合适的测线布置。

2.3观测系统完备性评价

观测系统完备是声波CT结果可靠性的基本保障。观测系统的完备性是通过单元的射线密度和射线正交性来衡量的。因此，射线密度和射线正交性就成了表征观测系统完备性的I爵个重要指标，它们是观测系统可靠性评价的有效方法。为保证声波CT结果的可靠性和分辨率，要求研究区内每个单元体内的射线超过40条，同时要求每个单元体内通过的射线其交角至少有一组大于60°，其交角的正弦值大于0.87。

2.4后期成像

所用软件为TDSoft的《工程CT》，该软件有模块化设计、文件格式要求清晰、处理速度快等优点。软件共有数据输入、射线追踪、速度反演三个主模块和正交性分析一个辅助模块组成。最后通过网格化、成图、导出DXF格式等多个步骤的处理，最终得到混凝土声波CT波速反演图。

3结语

无损检测技术是以无损检测手段探明被检测体内部缺陷的有无、大小、位置和性质的专门技术。在工程中，需要根据工程构件材料的性能和工程条件具体选择恰当的检测方法。其中，弹性波方法是工程中最为常用的方法之一，特别适合混凝土构件、岩土体等工程问题的无损检测工作。射线理论和射线方法是研究弹性波传播理论的重要方面之一，针对不同的工程材料和工程条件探索研究弹性波射线追踪方法，对于许多工程问题的分析研究具有重要的意义。

参考文献

超声波的基本原理篇2

（华东理工大学信息科学与工程学院，中国上海201424）

【摘要】本文介绍了一种基于AT89C51单片机的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法，该测试仪可利用语音芯片ISD2590实现实时语音播报功能。本设计结构简单，精度可达1cm，有广泛的应用价值，可应用于中短距离的各种尺寸测量，例如装修时的长度高度面积的测量，船舶行驶时是否偏离航道的判断等等。

关键词超声波测距；单片机；语音模块；AT89C51

0引言

超声波测量是一种典型的非接触式的测量，使之能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用，如高速公路上快速行驶的汽车之间距离的测量。同时，超声波系统相比于其他非接触测距测系统，如红外系统，雷达系统等，具有指向性强，能量消耗缓慢,对色彩、光照度，电磁场不敏感的优点，且造价便宜，结构简单，易于操作。基于上述特点，超声波测距技术在生活中得到了极为广泛的应用，如倒车系统，工地现场定位，井深测量等。

在超声波测距仪的使用过程中，有时会出现因光线太强等环境因素而使LED显示屏显示的数据无法被操作者准确识别的情况，因而需要加入语音播报模块，以确保超声波测距仪的正常使用。

1超声波测距原理

超声波测距的原理是获取超声波在空气中的传播速度，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离，测距的公式表示为：D=1/2ct（式中D为测量的距离长度；c为超声波在空气中的传播速度；t为测量距离传播的时间差。）

需要注意的是，当环境温度有较大波动或是精度要求较高时，需要进行必要的温度补偿以减少误差，具体操作如下：（其中，t是空气介质的温度，To=273.16℃）

2系统方案设计

2.1超声波测距系统的祖成

本超声波测距系统系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。整个系统由超声波发射电路，接收电路，显示模块，语音模块等组成，电路整体结构框图如图1所示。单片机选用AT89C51，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。晶振部分采用12MHz高精度的晶振,在设计时晶振和瓷片电容应尽可能靠近芯片，减少PCB板的分布电容，保证振荡器工作的稳定性，提高系统的抗干扰能力。

在测量中还需要考虑两个参数：声速和发射脉冲个数。声速部分在温度变化较大时采用温度补偿。发射超声波脉冲个数决定测距仪测量盲区，影响测量精度，同时与信号发射能量有关。发射脉冲个数少．可提高测量精度，但减少了发射能量对接收回波不利。脉冲个数过多会增加测量盲区。在设计中经过比较，选择发射5个40kHz的脉冲方波作为测量信号。

2.2硬件电路设计

2.2.1超声波发射电路

如图2所示，发射电路主要由反相器74LS04与超声波发射换能器T组成。压电超声换能器是利用压电材料的压电效应制成，极化后的压电材料在外加电场的作用下会发生机械形变称之位逆压电效应。反之，压电材料的机械形变也会产生电压，即为正压电效应。利用逆压电效应可以把高频电压转变为高频机械振动从而产生超声波，这时它是一个超声波发生器。

在工作时，单片机P1.7端口输出40kHz方波信号，经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端通过逆压电效应产生超声波并提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联以提高驱动能力，上拉电阻R10和R1l不仅可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力并且可以增强超声波换能器的阻尼效果．缩短自由振荡的时间。即整体过程可总结为信号经过反相器进行功率放大达到超声波发射器,进而电压转化成超声波信号在空气中传播。

2.2.2超声波接收电路

如图3所示为超声波接收电路。由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。接收电路基于芯片CX20106A，它是一款红外线检波接收的专用芯片，具有很好的灵敏度和较强的抗（下转第113页）（上接第20页）干扰能力，可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能。CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。在电路设计过程中，适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

在接收过程中，接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器,将信号调整到合适幅值的矩形脉冲,再经滤波和整形后,送给P3.2引脚一个低电平产生中断。

2.2.3语音模块电路

图4语音播报电路

如图4所示为语音模块电路，主要由专用语音芯片ISD2590及电路构成，具有抗断电、音质好、使用方便、无需专用的语音开发系统等优点，而且内部集成有音频功率放大器，无需外接音频功放就能直接驱动扬声器。

ISD2590在工作时，提前把语音元素录入语音元素库中，存储在片内的EEPROM中。本系统采用如下方式设置信息段的起始地址：根据每一字段的内容多少直接分配地址单元，一般按每lS说3个字计算，60S可以说180个字。然后再根据ISD2590的地址分辨率，计算出语音段所需的地址单元数。之后，采用分段录音，分段调用播放的方式，0~9占用10段存储空间，只要将每一段空间的首地址集合起来，编成地址表存放在单片机中，即可通过软件查表的方式清晰地读出测得的数值。

3小结

本设计针对传统测距方法的缺陷和不足．提出基于单片机AT89C51的超声波的非接触测量方法,并加以改进和创新。经验证该系统功能良好，可测量十米以内的距离，测距精度可以达到1cm。引入语音芯片ISD2590之后，能够非常真实地再现语音效果，有数码与语音两种数据输出方式后变得更加人性化。产品抗干扰能力强，反应速度快，经过系统扩展和升级，可以应用到汽车倒车建筑施工工地以及一些工业现场的物体位置的测量及中远距离监测，具有广泛的应用前景。

参考文献

［1］谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京:清华大学出版社,2006.

［2］李建忠.单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

［3］吴银凤,刘光聪.红外线接收电路Cx20106的应用[J].电气时代,2003(9).

［4］肖海荣,王凤瑛,杨金清,等．基于AT89C51和ISD2560的录放音系统设计[J]．微计算机信息,2004(1).

［5］晗晓,袁慧梅.单片机系统的印制板设计与抗干扰技术[J].电子工艺技术,2004.

［6］楼然苗，51系列单片机设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.

超声波的基本原理篇3

[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.

[2]栗桂凤,周东辉,王光昕.基于超声波传感器的机器人环境探测系统.2005,(04).

[3]童敏明,唐守锋.检测与转换技术.中国矿业大学出版社.

超声波的基本原理篇4

关键词：汽车防盗；HOLTEKMCU；TC35i模块；超声波传感器

中图分类号：TP27文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.05.009

DesignofAutomobileBurglarAlarmSystemBased

onUltrasonicSensorandTC35iModule

WenWusong1，WangLu2，CaoLonghan1，LiuAncai1

（1.MilitaryPowerEngineeringDepartmentofChongqingCommunicationCollege，Chongqing400035，China；

2.DepartmentofComputer&Science，ChongqingEducationCollege，Chongqing400067，China）

Abstract：BasedonTC35iGSMmoduleandultrasonicsensors,anautomobileburglaralarmsystemisdesigned,whichiscomposedofTC35i,HOLTEKMCU,ultrasonicsensors,etc.Inthissystem,somekeydistanceinformationisdetectedbyultrasonicsensorsfirstly.Inthecasethatathiefisentering,thisjudgmentcanbedeliveredtotheownerofautomobileimmediatelywiththemannerofmessageortelephonethroughGSMnetwork.Andthentheownercanmonitorandcontroltheautomobileremotely.Practicalapplicationshowsthatthesystemhastheadvantagesofbeingsmallandcheap,simpleoperationandhighreliability.

Keywords：automobileburglaralarmsystem；HOLTEKMCU；TC35imodule；ultrasonicsensor

目前市场上的汽车防盗报警系统种类繁多，但是物美价廉的防盗系统还很少见，好一点的防盗系统功能很强大，但成本较高，各功能操作繁琐，在紧急情况下繁琐的过程往往会弄巧成拙，给使用者带来很多不便[1]。

本文设计了一种基于超声波和GSM模块TC35i的汽车防盗报警系统。与其它防盗报警系统相比，超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，比较耐脏，可以在较差的环境中使用等特点[2]。

本系统以盛群HT46RU232单片机[3]为核心控制器，通过超声波传感器检测汽车内关键部位（如驾驶员座位处、车门等）的距离信息，判断有无小偷进入。若有，则通过短信或打电话的方式告知车主。车主可通过手机监听车内情况，控制汽车断油，确保汽车的安全。车主在使用本系统前，只需设置一个控制号码和控制密码即可，操作更加方便、简单。系统采用9V可充电池供电，体积小巧，成本低，性能稳定，便于隐蔽，非常实用。

1系统主要功能

（1）设置控制号码。由任意手机号码发短信设置，设置好后，系统只接收该号码发来的信息或来电。若需更改，必须进行出厂设置。一般情况下，控制号码即为车主手机号码。

（2）设置控制密码。由控制号码发短信设置，系统的相关功能只有在车主输入正确的密码后，才能启动运行。

（3）防盗检测。当超声波传感器所测得的距离信息发生改变时，且判定其满足报警条件，系统以短信或打电话的方式向车主发出报警信息。

（4）设防/撤防。由控制号码拨打车载SIM卡号码，系统根据记录的拨打次数来判断设防或撤防（奇数次为设防，偶数次为撤防）。

（5）监听车内情况。车主在接听车载SIM卡号的来电或向SIM卡号发送监听短信后，即可开始监听车内情况。

（6）断油控制。车主在监听过程中若察觉有小偷进入，可根据需要通过手机发出断油指令控制汽车断油。

2系统结构及工作原理

2.1系统结构

本系统由HT46RU232单片机、E2PROMAT

24C16、TC35i模块、超声波测距模块及电源模块等组成。其原理框图如图1所示。

在本系统中，主要用到了HT46RU232的串口、I2C、外部中断和两个定时器中断等功能。其中GSM模块TC35i通过串口和HT46RU232相互通信；E2PROM通过I2C总线与单片机相连，主要用于保存一些基本设置信息；超声波的发射采用LM555时钟发生芯片设计，而接收部分采用HT46RU232的外部中断进行采集。

2.2工作原理

当车主发来控制短信或打来电话时，TC35i会自动将短信内容或来电信息发向单片机，单片机通过响应串口接收中断，对其进行处理。当检测到入侵信号时，单片机内按照4.2所述格式通过串口将报警短信或电话发向TC35i模块，再通过GSM网络发送出去向车主报警。

车主设置的控制号码和密码保存在E2PROM中，一旦设置成功，本系统只接受该控制号码的来电或短信息，且在控制密码正确的情况下才对其进行处理。车主还可发送短信更改控制密码。

车主可通过手机向系统SIM号码拨打电话进行设防或撤防。在设防状态下，主控制器每隔65.5 ms控制超声波发射探头发送一次超声波，同时通过外部中断来捕捉超声波的反射波，并利用定时器记录超声波的发射和反射时间，再计算出系统与障碍物的距离。若距离变化超过一定阈值，则认为检测到入侵信号，立即向车主拨打电话或发送短信报警。车主在接通电话后，立即进入监听状态，监听完毕，挂断电话为继续设防，拨打电话为撤防。若车主发现异常，可立即挂断电话，并向系统SIM号码发送控制密码进行断油。

3系统硬件设计

3.1主控电路

选择盛群公司的HT46RU232作为主控单片机。主控电路如图2所示。

单片机通过串口与TC35i相连，采用“AT命令集”控制TC35i模块，实现接收、发送短信和拨打、接听电话功能。E2PROM与单片机采用I2C接口连接。

3.2超声波测距电路[4-5]

频率高于20 kHz的机械波称为超声波。为了以超声波作为检测手段，必须产生和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或者超声波探头。它是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化而进行工作的。

3.2.1超声波发射电路

超声波发射电路如图3所示。

LM555芯片的第4脚（复位端）连接到单片机的控制口PA4，通过给PA4高电平驱动LM555工作，产生固定频率的脉冲。通过调整VR301，WAVE_TX+端可以得到40 kHz的方波信号，直接驱动超声波发射探头工作。

3.2.2超声波接收电路

超声波接收电路如图4所示。

WAVE_RX为超声波接收探头的输入端。在没有超声波返回前，端口输入保持高电平，而当接收到反射波时，40 mV左右的超声波信号经过放大整形后，形成矩形脉冲，进入单片机的外部中断。因此通过第一下降沿信息即可捕获反射信号，再计算距离并判断是否有小偷进入。

3.3GSM模块TC35i电路

单片机通过串口与TC35i通信，TC35i模块上装有SIM卡（车载号码），同时扩有麦克风和喇叭，用于监听和报警。其电路如图5所示。

4系统软件设计

4.1超声波测距[6]

测距原理如图6所示。

（1）每隔时间Tsend发送1次40 kHz超声波。

（2）每次发送超声波的时间长度为Twave。在开始准备发送超声波时，先要关闭接收通道。

（3）发送超声波前，打开定时器T1开始计时。

（4）超声波发送完毕，延时ΔTs后，使能外部中断，开始接收有效反射波，即ΔTs后打开接收通道。

（5）当接收到有效反射波时，停止T1计时，并根据定时器T1的计时时间和超声波速度（340 m/s）计算距离。

4.2GSM短信规约[7]

4.2.1短信格式

GSM短信具有TEXT和PDU两种工作模式，本系统采用PDU模式，短信息格式见表1和表2。

4.2.2AT指令集

单片机通过串口向TC35i发送AT指令集实现短信的发送和接收，及拨打和接听电话。本系统中用到的AT指令见表3。

4.3系统软件流程

系统软件流程分以下几个部分。

（1）“控制号码”设置流程如图7所示。

（2）“控制密码”修改流程如图8所示。

（3）“设防或撤防”设置流程如图9所示。

（4）“防盗检测及报警”流程如图10所示。

（5）“监听与断油控制”流程如图11所示。

5试验测试与分析

5.1设防距离

根据4.1所述的超声波测距原理，本系统的最大设防距离与超声波的发送时间间隔TSEND和每次发送的超声波时间长度TWAVE有关。TWAVE越大，发射的超声波能量越大，传送的距离越远，但传送的时间不能超过TSEND。因此，在TWAVE足够大的情况下，最大设防距离的理论值为

Smax=V×TSEND/2，                              （1）

式中：V为光速，取值为340 m/s。

系统实物如图12所示。由于超声波发射和接收探头相距较近，若发射的超声波能量较大，则有可能在发射时就直接被接收探头接收而不是经障碍物反射后被接收。所以发射时不能立即开通接收通道，而是延时一段时间后再开通。由此可见，系统的最小设防距离与每次发送的超声波时间长度TWAVE及接收通道开通延时时间有关，其理论值为

Smin=V×(TWAVE+ΔT)/2，                    （2）

式中：V为光速，取值为340 m/s。

TSEND取值为65.5 ms，TWAVE取值为0.5 ms，ΔT取值为1 ms，根据上述式（1）和式（2）可知：系统最大设防距离的理论值为11.135 m，最小设防距离的理论值为25.5 cm。再采用模拟障碍物对其设防距离进行连续20次测试，测试结果见表4。

由表4的测试数据可知，系统最大和最小设防距离的实际值分别为3.6 m和29 cm。

5.2报警准确率

将本系统放置于汽车驾驶座下方，使超声波探头正对驾驶座旁边车门且距离车门60 cm左右，关上车门，对其设防，再开门时，系统判断到距离变化便会发出报警信息。

通过连续100次设防及开/关门操作，即可对其报警准确率进行测试。100次测试结果见表5。

6结论

本文所设计的基于GSM模块TC35i和超声波传感器的汽车防盗报警系统，只需利用超声波测出距离的变化信息，而对测距精度要求不高，同时充分利用了GSM网络，能很好地与人进行信息交互，且成本低廉，操作简单，实用性强，具有一定的市场推广价值。下一步还可结合振动传感器检测入侵信息，提高系统在各种入侵状况下的防盗能力[8]。

参考文献(References):

雷辉.基于AT89C2051的智能型汽车防撞报警器的设计[J].计算机应用，2003，29(2)：11-12．

LeiHui．AnAT89C2051-basedIntelligentProximityWarningIndicatorforAutomobile[J]．JournalofComputerApplications，2003，29(2)：11-12．（inChinese）

王松德，赵艳，姚丽萍，等．红外探测无线遥控数显防盗报警系统[J]．光谱学与光谱分析，2009，29(3)：858-861．

WangSongde，ZhaoYan，YaoLiping，etal．DigitalAcousticBurglarAlarmSystemUsingInfraredRadioRemoteControl[J]．SpectroscopyandSpectralAnalysis，2009，29(3)：858-861．（inChinese）

HT46RU232MCUDatasheet[Z]．.cn．

潘仲明，简盈，王跃科．大作用距离超声波传感技术研究[J]．传感技术学报，2006，19(1)：21-25．

PanZhongming，JianYing，WangYueke.ResearchonUltrasonicTransducerwithLargeSensingRange[J]．ChineseJournalofSensorsandActuators，2006，19(1)：21-25．（inChinese）

潘宗预，潘登．超声波测距精度的探讨[J]．湖南大学学报(自然科学版)，2002，29(3)：18-21．

PanZongyu，PanDeng．DiscussiononTestingDistancePrecisionbyUltrasonic[J]．JournalofHunanUniversity(NaturalSciencesEdition)，2002，29(3)：18-21．（inChinese）

胡永峰，石景波．一种应用于超声波检测中的自相关算法[J].现代电子技术，2005，28(8)：70-71，74．

HuYongfeng，ShiJingbo.AnAuto-correlationAlgorithmintheApplicationofUltrasoundDetection[J]．ModernElectronicTechnique，2005，28(8)：70-71，74．（inChinese）

TC35iATCommandSetV03.01[Z]．．

超声波的基本原理篇5

关键词：超声检测信号时频邻域自适应消噪技术

中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：1007-9416（2014）02-0083-01

1引言

在无损评估领域中，超声检测信号的模式识别是材料缺陷识别和分类的重要方法。与传统的应用于缺陷探测的信号处理方法相比，应用于缺陷分类的信号消噪方法，对信号的信噪比增强以及波形失真都具有更严格的要求。超声检测回波信号是一种非平稳信号。针对这种信号的消噪方法主要有：参考自适应滤波、分离谱法、小波阈值法等。参考自适应滤波要求所选的参考信号尽量与噪声信号相关，而与缺陷信号不相关。实际使用时，一种方法是采用含噪声信号的延时输入作为参考信号。由于信号的非平稳性，这种方法难以保证参考信号与噪声信号的相关性。另一种方法是在小于一个声束范围内另作一次检测，将此回波信号作为参考信号。这种方法需要作重复测量，且难以实现自动化，其使用范围受到一定限制。

分离谱法是将信号通过一个滤波器组，在不同频带上根据噪声特性选取阈值对信号进行收缩处理。分离谱法不需要参考信号，但其有效性在很大程度上依赖于滤波器组相关参数的选择。小波软阈值法是在小波域上，根据噪声标准差分别对各子带上的分解系数作固定阈值的收缩处理。小波软阈值法中，各子带系数的消噪是独立进行的，未能有效利用超声检测信号在时频邻域上的相互关系。当输入信噪比较低时，缺陷信号失真较为严重。

2时频邻域自适应消噪技术的原理与方法

一般来说，在记录ECG超声检测信号的同时可能受到内部与外部因素所干扰，内部干扰因子（如的呼吸或肌电信号）、外部干扰因子（如电子仪器的热杂讯与工频干扰）等，均会造成超声检测信号不清晰或难以判读，对此就必须采用适当的方式滤除或抑制信号内存在的各种干扰因素，准确检测出信号特征，是超声检测处理中最重要的工作之一。基本看来，这一工作的原理与方法涵盖如下方面的内容。

（1）仪器的选取。一是前置处理过程。前置处理过程包含高通滤波器（Highpassfilter）、FIR低通滤波器（FiniteImpulseResponselowpassfilter），用来处理低频的基底漂移（Baseline）等干扰，或将杂讯滤除显露明显的特征波形。二是基底漂移干扰。基底漂移就是距离中心线的漂移程度，源自于呼吸所产生的低频效应。这种因呼吸所产生的低频漂移现象，导致腹部的ECG信号无法直接拿来使用，必须经过适当的前处理才能作为分离方法的基本输入条件。为了解决这部分的问题，可通过设置高通滤波器的方式来达到消除这部分的低频漂移。高通滤波器也叫低频滤波器，其主要功能就是过滤信号低频的成分，顾名思义就是将低频的部分滤除掉，让某一频率值以上通过。这样一来便能有效将低频漂移加以抑制。三是消除杂讯。当信号经由高通滤波器后，如果发现基底漂移确实是消除，但是通常也会看到特征波形依然不明朗，这就是有杂讯存在，换句话说，利用高通滤波器确实可解决基底漂移，但是也让其他可能不必要的高频因子通过了滤波器而造成多余的影响，所以要以何种方法衰减掉，便是消除杂讯的目的；这边为了将超声检测特征波形明朗化，实践中可利用FIR（FiniteImpulseResponse）低通滤波（Lowpassfilter）器将杂讯滤除。

（2）FIR滤波器的原理。FIR滤波器，即为有限（Finite）脉冲（Impulse）响应（Response）滤波器，可以被用来构建成低通、高通或带通一类的滤波器方式使用。对于脉冲输入信号的响应最终会趋近0，因此为有限。假设输入信号为x（0）、x（1）、x（2）…、x（n），经过该系统后的输出的信号结果为y（n）：

由上式可以看出y（n）即是hn，这也是脉冲响应因此而得名的原因，换句话说，也是滤波器脉冲输入的响应。

（3）自适应滤波器原理。所谓的适应性滤波器，是利用前一时刻获得的滤波器参数结果，用以调整目前时刻的滤波器参数，随着时间变化的统计特性，实现最优滤波效果。其中LMS（LeastMeanSquare）适应性滤波器是一种广泛使用的算法理论，其创始人Widrow与Hoff于1960年推导而出并命名为最小均方算法。LMS有一个显著的特点是在于它的简单性，它并不需要关联函数（correlationfunction）做计算，也不需要庞大复杂的反矩阵运算，事实上，也正因为如此，使得它成为其他适应性滤波器应用的参考标准。它是根据一组给定的权数对时间序列的观察进行平均加权计算的一种预测值，然后根据预测误差调整权数以减少误差值，这样反复进行直到找出一组最佳权数解，使误差降到最低限度，再利用最佳权数进行加权预测的方式计算。

4结语

总体而言，在提取ECG超声信号之前，其信号本身必须先经过前处理过程才能使用。这主要原因在于纪录超声信号时，会由于各种杂讯的关系，如呼吸的杂讯、电子仪器的热噪音、工频干扰的影响，使超声检测常常不清晰或难以识别，因此必须采用适当的滤波器滤除ECG信号中存在的各种干扰，准确检测出超声信号，这也是超声检测信号处理中最重要的工作之一。

参考文献

[1]王兴国，常俊杰，徐久军，单英春，王旭东，姚曼.超声波在薄膜介质中传播衰减的评价方法[J].中国表面工程，2008（5）.

[2]高志奇，田立欣，孟祥东.基于小波变换和模糊模式识别的超声无损检测[J].内蒙古工业大学学报（自然科学版），2010（1）.

[3]简晓明，李明轩.小波变换和自适应噪声抵消在闭合裂纹超声检测中的应用[J].声学学报，2000（2）.

超声波的基本原理篇6

中图分类号：TE939文献标识码：A文章编号：1003-2738（2011）12-0292-01

摘要：卤水流量的精确计量是保证卤水生产过程安全经济运行、降低消耗、提高效益、实现科学管理的基础。由于采卤泵站震动较大，且有硫化氢气体腐蚀，很难实现卤水在采输过程的精确计量。本文分析了超声波流量计在卤水采输过程中对流量计量的应用，对降低卤水输送成本具有重要意义。

关键词：卤水采输；超声波流量计；计量

一、引言

卤水学名为盐卤，是由海水或盐湖水制盐后残留于盐池内的母液。卤水流量测量是实现卤水采输过程中封闭管道中的导电性液体和浆液中的体积流量。随着工业生产过程的自动化和智能化的提高以及节能降耗和成本核算管理的要求，流量仪表在整个计量仪表中所占的比重越来越高。传统检测流量计都需要将其传感器安装在管内，并要求配置一段安装管，这不但不便于安装，而且会引起流体的压力损失、泄漏等。本文介绍了超声波流量计的工作原理，并在此基础上分析了其在卤水采输测量中的优点。

二、超声波流量计的工作原理和特点

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法，其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量[1]。

（一）时差法测量原理。

超声在流体中的传波速度受流体流速的影响，超声波在流体中顺流传播时，速度将加快，逆流传播时速度会减小，两个速度的差值越大，表明流体流速越快，反之则慢。时差法测量流体流量的原理如图1所示，在管道的上下游安装两个传感器A和B距离为L，L与水平方向的夹角为。设静止流体中的声速为，流体流动的速度为,当超声波传播方向与流体方向一致时。超声波的传播速度为；而当超声波传播方向与流体流动方向相反时，超声波的传播速度为。

图1时差法测量流体流量原理图

从图1可以看出，探头A向探头B发射超声波信号为顺流方向，其传播时间为：，反之逆流方向传播的时间为：，二者时间差为：

（1）

由于静止流体中的声速远远大于流体流动的速度，故可忽略不计，则有：

（2）

得到的流体流速为：（3）

式（3）中的、L、均为常数，所以测得时间差即可知道流体流量。

（二）多普勒法测量原理。

多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。两个换能器对称地装在待测流体管路两侧，发射换能器发射频率为的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以的频率反射到接收换能器，这就是多谱勒效应。与之差即为多谱勒频移。多普勒频移正比于流体中颗粒的运动速度，即流体的运动速度，因而只要平均流速与流通截面积相乘即可得体积流量。若颗粒以与流体相同的速度运动，静止流体中的超声波声速为，声波发射方向、反射方向与流体流动方向的夹角分别为，则由于颗粒的漫反射而进入接收换能器的超声频率可表述为：

（4）

当远远大于时，（4）式可化为：

（5）

在的情况下有：

（6）

则可得到多普勒频移为：

（7）

三、超声波流量计在采输卤水中应用应注意的事项

（一）测量点的选择。

超声波流量计的安装在所有流量计中是最简单便捷的。采用超声波流量计测量采输卤水流量时，只要选择一个合适的测量点、把测量点处的管道参数输入流量计中，然后把探头安装在卤水采输管道上即可。选择测量点要求一定的直管段，要选择流体流场分布均匀的部分，以保证测量数据准确。一般遵循以下原则：1.要选择充满流体的管段，如管路的垂直部分或充满流体的水平管段。2.测量点要选择距上游10倍管径，下游5倍管径以内的均匀直管段．没有任何阀门等干扰。3.充分考虑管道内壁结垢状况，尽量选择无结垢管段测量，实在不能满足，可把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。4.选择管材均匀致密，易于超声波传输的管段。

（二）探头安装方式。

采用超声波流量计对采输卤水管中的流量进行计量时，合理的探头安装方式对提高流量计量精确度至关重要。超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。一般在小管径时(管径100-300mm)可先选用V法；V法测不到信号或信号质量差时则选用Z法。管径在300mm以上或测量铸铁管时应优先选用Z法。V法一般情况下是标准的安装方法，使用方便，测量准确。可测管径范围为25mm至大约400mm。安装探头时，注意两探头水平对齐，其中心线与管道轴线水平一线。当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管内壁结垢太厚或衬里太厚，造成V法安装信号弱时，要选用Z法安装[2]。

（三）检查安装。

检查“安装”是指检查超声波流量计探头安装在采输卤水管的位置和方式是否合适，是否能够接受到正确的、足够强的、可以使主机正常工作的超声波信号。安装的好坏直接关系到卤水流量值的准确和机器长时间的可靠运行，主要通过主机检查两个参数：信号强度、信号质量。信号强度是指上下游两个方向上接收信号的强度。信号强度越大，测量值越稳定可信，越能长时间可靠的运行。信号强度与探头的安装位置调整、安装间距、管道情况有关。

（四）超声波流量计在采输卤水应用中常见问题及解决方案。

由于卤水输送过程中卤水中掺杂的介质较多时，这将导致超声波流量计探头使用一段时间后会出现不定期的报警，这种问题在实际运用中会较常见。解决办法：定期清理探头(建议一年清理一次)。其次超声波流量计输送的卤水中含有水等液体杂质，流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见。解决办法：对引压管进行吹扫或加电伴热。

四、结束语

卤水的特性限制着卤水在采输过程的精确计量，超声波测流计以其测量精度高、实时性好，同时适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，超声波测流计在测量采输卤水中的流量应用越来越得到重视。随着国家对卤水需求量的增大和超声波测流技术普及和成本的降低，超声波测流计将很快成为卤水采输过程中主要测流手段而得到广泛的应用。

参考文献：