27超声波测距实验

实验二十七超声波测距实验

一. 实验目的

通过本实验了解和掌握超声波传感器测量的原理和方法。

二. 实验原理

声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。

1) 次声波：振动频率低于l6Hz的机械波。

2) 声波：振动频率在16—20KHz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。

3) 超声波：高于20KHz的机械波。

超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。取决于两种介质声阻抗特性。和其他声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射 (或漫射)及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。

超声波传感器的测距原理：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。设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。需要说明的是，超声波传感器发射的波束比较窄（<10°），反射后仍然很窄，如果被测物体被旋转放置，有可能反射波束会偏离出接收探头的位置，导致探头接收不到反射波信号，测距将失败。

图1 超声波传感器测量物体距离原理示意图

超声波测距传感器包括有发射超声波和接收超声波的两部分装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器和磁致式超声波传感器。本实验采用的是压电式超声波传感器, 主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

实验所使用的DRUL-12-A型超声波传感器的发射波频率是40KHz，它由单片机控制发射探头发射一组5个超声波脉冲后，输出电平由高电平转为低电平；等到接收探头接收到足够强度的反射超声波信号时，输出信号由低电平转为高电平。所以在实验的过程中，可以观察到随着反射板到探头的距离变化，传感器输出波形的“脉冲”宽度也会对应的发生变化，测试距离越远，脉冲的宽度越宽。因此，计算出脉冲的宽度就可以计算出反射板到探头的距离。发射的两组脉冲间隔的最大时间约为18ms，对应的测试距离为3.069m。所以，该型号的超声波传感器的最远测试距离是3米。为了消除发射电路强电磁脉冲对接收电路的影响，在发射电路发射脉冲后，接收电路需延时大约1 ms，才能正常接收信号。在设计中这个时间被设计成1.6ms，对应的最短测试距离约为0.28m，所以DRUL-12-A型超声波传感器的测试范围在0.3～2.5米。对于DRUL-12-B型超声波传感器，参数稍有改变，测试的范围是0.2～2米。

另外，空气中的声音传播速度不是一个固定的值，在不同的温度下这个数据会有一些变化。通常我们说的340m/s是一个近似数据，传播速度的修正公式为S=331.4×(1＋t/273）^0.5，t为空气温度。作为常温下的测试，可以就认为声速为346 m/s（按25℃计算）。

三. 实验仪器和设备

1. 计算机１台

2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套

3. 打印机 1台

4. 超声波传感器 1个

5. USB数据采集仪 1台

四. 实验步骤

1. 关闭DRDAQ-USB型数据采集仪电源，将需使用的传感器连接到采集仪的数据采集通道上。(禁止带电从采集仪上插拔传感器，否则会损坏采集仪和传感器)

2. 开启DRDAQ-USB型数据采集仪电源。

3. 运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。

4. 在DRVI地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“超声波传感器距离测量”，建立实验环境。

图2 超声波传感器距离测量实验

5. 按照超声波接收信号的特点，用时域参数法测量回波信号的周期，计算距离。

6. 用频域分析法计算回波信号的频率和距离。（注意，在用时域参数法和频域分析法时，采样频率应取不同的值。）

五. 实验报告要求

1. 简述实验目的和原理。

2. 拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中，用Winzip压缩后通过Email上交实验报告。

六. 注意事项

LCSB-5-A型超声波传感器的有效测量距离是30cm~250cm，DRUL-12-B型超声波传感器，参数稍有改变，量程是20cm～200cm。实际距离若过小或过大都可能导致测量误差增大，在测量过程中尽量保持在此距离之内。

第二篇：超声波测距实验报告

超声波测距系统实物设计报告

一.设计要求

1.测量距离不小于0.3米,数字显示清晰,无数字叠加,动态显示测量结果,更新时间约为0.5秒左右。

2.测量精度优于0.1米,显示精度0.01米。

3.距离小于0.3米时,蜂鸣器发出”嘀嘀”报警。

4.测量距离超过1.0米时,指示灯显示超量程。

二.系统设计思路

1.原理框图

2.系统组成模块

（一）40KHZ方波产生电路

1、分析：利用555定时器组成的多谐振荡器作为时钟信号的产生电路，通过理论计算加上微调电阻和电容的值，得到所需频率的矩形波，当R2远大于R1时，矩形波的占空比接近50%，可近似为方波。

2、单元电路如下图；

3、参数计算：

4、仿真结果：

（二）2Hz时钟信号发生电路：

1、分析：利用555定时器组成的多谐振荡器作为时钟信号的产生电路，通过理论计算加上调整电阻和电容的值，得到所需频率的矩形波。其中占空比在70%以上。

2、单元电路如下所示：

参数计算：R1=710K欧，R2=375欧，C1=1微F

（三）17kHz时钟信号发生电路：

1、分析：利用555定时器组成的多谐振荡器作为时钟信号的产生电路，通过理论计算加上调整电阻和电容的值，得到所需频率的矩形波。

2、单元电路如下所示：

3、参数计算：

R1=1K欧，R2=395欧，C5=47nf；

4、仿真

5、功能：数字显示的测量结果要求动态更新时间约0.5秒左右，所以要求一个频率约2Hz的时钟信号来控制刷新数据，保证结果显示稳定不闪烁。

三，调试说明

首先要在示波器上稳定的出现5个波形，40khz的方波，17khz的方波，加上接收头之后的波形，经过347放大之后的正弦波，2hz经过非门整形之后的波形；

其中值得注意的就是40khz的占空比一定要精确的得到50%，这个和你测试的准确度和高度直接相关，我们在提高高度的过程中其中一个步骤就是回过头来再去调整40khz的准确度。

17khz的一定是占空比小于40%，这个最直接的影响是测试精度，我们尝试在17khz之后不接非门就是占空比大于50%，测试结果是不准确的。

如果说超声波测距最重要的是什么我会毫不迟疑的说出2hz的调试，其中包括参数计算和占空比，刚开始我们就相信别人和老师的数据，结果是错误的，最后我们一致下定决心自己搞出自己的特色，搞出自己的数据，我索性自己计算出了一组数据，结果证明是正确的。我们做出来之后接下来其他组就直接采用我们的数据了，所以我们的2hz数据才是原创。

还有就是正弦波的波形，这个波形反映了信号的强度以及杂波的情况，这个需要注意的就是放大倍数和滤波电容的选取，这个会在后面的叙述中详细。

还有就是LF347放大倍数的选取，刚开始我们使用一级放大1000倍，结果只出现26厘米，这是我们第一次出现示数，虽然很短，但也是很高兴的。但是我们再去检查波形的时候就发现波形已经很乱了，杂波很多，这样我们就要改变放大倍数和改变滤波电容的大小，该车放大300倍，滤波电容改成10UF，这样就好多了，我们测到了112厘米。接着我们再次通过改变放大倍数，由一级放大改为二级放大，不断地更改电阻来改变放大倍数，我们发现只有当二级放大倍数和一级放大倍数相差不大，且二级放大倍数小于一级放大倍数的时候，这事的波形是最稳定的，信号时最强的，我们通过不断地厄、改变找到了最佳放大倍数在900—1500倍之间（针对我们的电路），这样我们的测试距离由112到147再到196厘米，这是我们最快乐的时刻。就在我们准备收工的时候，我们想到了通过增加发射头和接收头可以增加信号强度进而测试更远的距离，不错，我们的猜想是正确的，通过改变我们直接测到了屋顶268。

实验的收获与心得体会：毫不夸张的说，这几天的实验是最充实快乐痛苦的几天，我们把以前学的数电、模电知识运用到实践中来，我和我的队友以一种认真的态度对待，在实验之前我们就说这次数电实验是锻炼我们动手能力和合作能力的一个过程，我们要好好对待，制定自己的计划，把握自己的节奏。整个过程我们全部是独立的，刚开始时候想请教老师却没有得到帮助。我们一个电阻，一个电阻的尝试，一个电容一个电容的尝试，一个芯片一个芯片的检测，一个模块一个模块的检测，用示波器，用万用表，查资料，计算，所有的参数都是我们一步一步调出来的，这是原创。我们最大的收获就是学会做事情，这是学习的过程，思考的过程，学习的思维，做事情的思维。理论与实践相结合的思维，层层递进，步步为营的做事情，把握自己的节奏做事情，有章法，不怕犯错误，胸有成竹，一切都在掌握之中。

5、40khz的波形