超声测距—汽车倒车雷达的设计学位论文(编辑修改稿)

超声测距—汽车倒车雷达的设计学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

机控制系统、距离显示等设备组成。 “ 利用超声波的发射和接受 ” 是 超声波测距的原理， 距离 =超声波传播时间超声测距 — 汽车倒车雷达的设计 4 *超声波速度。 可被实际应用 的 超声 测距方法 一般 有两种 ： 一种是发射波 抵达 物体 后，然后被 反射回来后 再 接收的反射波方 式， 常应 用于测距仪； 另 一种是在被测距离的两端，一端发射， 一端接收的直接波方式。 本 设计采用 第一种方法。 超声波传感器的选择 决定了 测距仪的分辨率。 超声波传感器是一种采用压电效应的传感器， 经常使用 的 材质 是压电陶瓷。 因为 超声波在空气中传播时会有一定程度 的衰减，衰减的程度与频率的高低 是 正 相关关系 ；而频率高分辨率也高，所以 短距离测量时应 该 选择频率高的传感器， 但是 长距离的测量时应 该使 用低频率的传感器。 太原工业学院毕业设计 (论文 ) 5 意大利科学家斯帕拉捷习 惯晚饭后到附近的街道上散步。 他常常看到，很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去，却从不会撞到墙壁上。 这个现象引起了他的好奇：蝙蝠凭什么特殊本领在夜空中自由自在的飞行呢。 为了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列试验。 先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能准确地分辨障碍物。 只有当耳朵被堵住时，蝙蝠就不能分辨障碍物。 斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密。 后来人们继续研究，终于弄清了 蝙蝠“超声定位”的原 理 —— 原来，蝙蝠 通过喉部器官 发出人听不见的“超声波”，这种 “波” 沿着直线传播，根据反射原理，同样可以极快的反射过来。 蝙蝠 再 用耳 朵接 收 这种“超声波”，就能迅速做出判断， 完成满足自身要求的各种活动。 当然，以上的故事是个美丽的楔子。 真正超声波的研究和发展，与媒质中超声波的产生和接收的研究密切相关。 自 19世纪末到 20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声波技术的历史篇章。 1883年 Galton首次制成超声波气哨，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夜哨等机械型超声波换能器。 20世纪 初， 由于电子学的发展， 人们 可以应 用 一 些材料的 “ 压电效应 ” 和 “ 磁致伸缩效应 ”制造 各种 “ 机电换能器 ”。 1917年，法国物理 家朗之万 利 用天然压电石英制 作 成 功 了 “ 夹心式超声换能器 ” ，并成功地 将其 应用于水下探测潜艇。 伴 随着 超声应用 在 国民经济 、军事 各部门中的不 停 发展，又出现更大 、性能更好的 超声功率的磁致伸缩换能器， 还出现了 各种 种类 不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种 “ 超声换能器 “。 人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。 40年代末期超声波治疗在欧美兴 起，直到 1949年召开的首届 国际医学超声波学术会议上，才 第一次出现 了超声治疗方面的 学术 交流，为超声治疗学的发展奠定了 较为系统的理论 基础。 医学上最早利超声测距 — 汽车倒车雷达的设计 6 用超声波是在 1942年，奥地利医生杜西克首次用超声波技术扫描脑部结构，以后到了 60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。 直到 1956年第二次 国际超声医学学术会议上 才 有 更多有新见解的 论文发表，超声治疗 才真正 进入 到 实用成熟阶段。 材料科学的发展，使得应用 频率非常高 的压电换能器也由 最初的 天然压电晶体发展到 价格低廉、性能 优越、机电耦合系数高 的 塑料压电薄膜 (PVDF)、 压电陶瓷、 压电半导体以及人工压电单晶 等。 产生和检测超声波的频率，也由几十千赫上升 到上千兆赫。 产生和接收的波型也由 最初 单纯的纵波 发展扩大 为 扭转波、 横波、 表面波 、弯曲波 等。 例如 频率为几十兆赫 至 上千兆赫的微型表面波都已成功地 应 用于 成像技术 、 电子通信和 雷达 等方面。 如今，超声波已广泛应用于测距、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。 由于超声波在物理化学方面的独特特性，所以超声波在许多方面都有广泛的应用。 归结起来，超声波主要应用在以下几个方面： (1) 在检验方面的应用 超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。 超声波探伤是利用超声波能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。 超声波测厚，是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料 分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时 长 来确定被测材料的厚度。 超声测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射 到 接收的时间 长短 计算出 障碍物 到 发射点 的距离长短。 超声 测距主要应用 场合有： 工业现场 、 建筑工地、 倒车 入库 等的距离 长短 测量，虽然 当 前的测距量程上能达到百米 数量级 ，但 是 测量的精度 却仅太原工业学院毕业设计 (论文 ) 7 能达到厘米。 超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术，把 由 换能器发出的超声波经 过 声透镜聚焦 到 不透明 的 试样上 面 ，从试样透 射 出的超声波携带了被照 射部位的信息（如对声波的 吸收 、 散射和 反射的能力 大小 ），经声透镜汇 集到 压电接收器上， 然后将 电信号输入 至 放大器， 应 用扫描系统可 以 把不透明试样的形象显示 到 荧光屏上。 上面所描述的 装置 叫做 超声显微镜。 超声成像技术已 经 在医疗检查方面获得 非常广泛的应用 ，在微电子器件制造业中用来对 LSI 进行检 测 ，在材料科学中用 于 显示合金中 晶粒间界和 不同组分的区域等 信息。 “ 声全息术 ” 是应用超声波干涉原理记录和重现不透明物的立体图像声成像技术，它的 原理 和 光波的全息术基本 原理一样 ， 不同的地方是两者的记录手段不同。 (2) 在超声处理方面的应用 利用超声的机械效应、温热效应、理化效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。 超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。 超声波焊接主要分超声波塑料焊接和超声波金属焊接，超声波塑料焊接具 有焊接速度快，焊接强度高、密封性好的优点；而超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工。 针对所有的应用市场，超音波焊接其特有的优点—— 快捷、高效、清洁和牢固，赢得了各行各业的认可，在汽车、家电、包装、玩具业、电子等行业的应用也越来越广泛。 超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。 目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。 超声波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清洁 度高，不须人手接触清洗液，安全可靠，对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工等诸多优点。 超声波清洗方式超过一般的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂像一些表面凹凸不平、有盲孔的机械零部件，一些特别小而对请洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。 超声测距 — 汽车倒车雷达的设计 8 超声波技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可，并越来越被临床重视和采用。 超声波治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。 超声波的机械作用可软化组织， 增强渗透，提高代谢，促进血液循环，刺激神经系统和细胞功能，因此具有超声波独特的治疗意义。 超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。 一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。 超声波治疗以疗效独特，长期治疗无毒副作用的安全特性见长，在肢体运动康复、心脑血管疾病治疗方面有着独特的优势，其体外无创的物理治疗手段比较适合在社区、医院运用。 (3) 在基础研究方面的应用 超声学是研究超声的科学，它是声学的一个重要分支。 超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超 声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。 机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。 超声振动本身就是一种机械运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。 20世纪 40 年代起，人们在研究媒质中超声波的声速和声衰减随频率变化的关系时，就陆续发现了它们与各种分子弛豫过程（如分子的内、外自由度之间能量转换的热弛豫，分子结构状态变化的结构弛豫等过程）及微观谐振过程（如铁磁、顺磁、核磁共振等）之间的关系，通过物质对超声的吸收规律可 探索物质的特性和结构，这些方面的研究构成了分子声学这一声学分支。 随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能──声子来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。 通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。 因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。 与之有关的一门新分支学科──量子声学也正在形成。 超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。 它不断借鉴电子学、超声学材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。 同时，超声学的发展又太原工业学院毕业设计 (论文 ) 9 为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。 但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声波应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都 已表明了超声学是在不断地向前发展着。 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，途中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。 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的距离 (s)，即： s=340t/2 最常用的超声测距的方法是回声探测法 ， 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。 由于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。 声速确定后， 只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。 这就是超声波测距仪的基本原理。 如图 1所示。 图 1 cosSH （ 21） 超声测距 — 汽车倒车雷达的设计 10 )(HLarctg （ 22） 式中 :L两探头之间中心距离的一半。 又知道超声波传播的距离为 : vtS2 (23) 式中 :v— 超声波在介质中的传播速度； t— 超声波从发射到接收所需要的时间。 将（ 2— 2）、（ 2— 3）代入（ 21）中得： (24) 其中 ,超 声波的传播速度 v 在一定的温度下是一个常数 (例如在温度 T=20 度时 ,V=344m/s)；当需要测量的距离 H远远大于 L 时 ,则 (2— 4)变为 : (25) 所以 ,只要需要测量出超声波传播的时间 t,就可以得出测量的距离 H。