超声波传感器模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇超声波传感器，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

1.引言

随着自动化等新技术的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备都离不开传感器。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来监测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量，等等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。

20世纪中叶，人们发现某些介质的晶体（如石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等）在高电压窄脉冲作用下，能产生较大功率的超声波。它与可闻声波不同，可以被聚焦，能用于集成电路的焊接、显像管内部的清洗；在检测方面，利用超声波有类似于光波的折射、反射的特性，制作超声波纳探测器，可以用于探测海底沉船、敌方潜艇，等等。

现在超声波已经渗透到我们生活中的许多领域，例如B超、遥控、防盗、无损探伤，等等。

2.超声波的概念

人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20Hz―20kHz范围内，称为可闻声波。低于20Hz的机械振动人耳不可闻，称为次声波；高于20kHz的机械振动称为超声波，常用的超声波频率为几十kHz至几十MHz。

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）和纵向振荡（纵波）。工业中的应用常采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，但传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波频率较低，一般为几十kHz，但衰减较快；在固体、液体中传播频率较高，但衰减较小，传播较远。

3.超声波的特点

超声波的指向性好，不易发散，能量集中，因此穿透本领大，在穿透几米厚的钢板后，能量损失不大。超声波在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。超声波的频率越高，其声场指向性就越好，与光波的反射、折射特性就越接近。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，配上不同的电路，制成各种超声波测量仪器及装置，并在通信、医疗、家电等各方面得到广泛应用。

4.超声波传感器的原理

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，由发送传感器、接收传感器、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，换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；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，从而对发送的超声波进行检测。实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可用作接收器传感器上的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比、稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源可用DC12V±10%或24V±10%。

5.超声波探头

超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头，等等。本文以固体传导介质为例，简要介绍以下三种探头。

（1）单晶直探头。俗称直探头，其压电晶片采用PZT压电陶瓷制作。发射超声波时，将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出一束频率落在超声波范围内、持续时间很短的超声振动波，垂直投射到试件内。假设该试件为钢板，而其底面与空气交界，到达钢板底部的超声波绝大部分能量被底部界面所反射。反射波经过一短暂的传播时间回到压电晶片。再利用压电效应，晶片将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。

（2）双晶直探头。由两个单晶探头组合而成，装配在同一个壳体内，其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。双晶探头的结构虽然复杂一些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。

（3）斜探头。有时为使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探头。压电晶片粘贴在与底面成一定角度的有机玻璃斜楔块上。当斜楔块与不同材料被测介质接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。

6.超声波传感器的应用

超声波传感器应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为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，等等，因而受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断是利用超声波的反射原理，当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声振幅的高低。

在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤、超声波测厚和测量液位等。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感器的出现改变了这种状况。超声波探测既可检测材料表面的缺陷，又可检测材料内部几米深的缺陷。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。

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。超声波测量方法有许多其他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、酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）响应时间短，可以方便地实现无滞后的实时测量。

7.结语

超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如反射问题、噪音问题、交叉问题，等等。本文简要介绍了超声波的概念、特点，分析了超声波传感器的原理，并给出了超声波传感器的几种典型应用，对今后对超声波传感器的进一步学习和研究有一定的参考价值和实用价值。

参考文献：

［1］梁森，黄杭美.自动检测与转换技术.机械工业出版社，2007.

［2］吴旗.传感器及应用.高等教育出版社，2002，（3）.

篇2

在煤矿企业进行煤矿的采挖生产过程中，矿井提升机是其中的重要设备，提升机运行时的稳定可靠性与安全性，直接关系到煤矿企业的采矿生产以及经济收益。现在很多矿井的提升机处在爬行段与减速段时对于速度的控制能力比较差，经常会发生在减速段提升机控制不稳定和停靠位置不够精准等现象，大大增加了提升系统的机械冲击力，使得系统的运行寿命减少，从而很大程度上使得系统的可靠性、稳定性与安全性降低了。

一、现有矿井提升系统的弊端

目前大多数实现矿井提升机减速段速度的方案为通过动杆连接深度指示器和提升机的主轴，通过安装有凸轮板的减速圆盘然后一起转动。当提升机到达减速段时，凸轮板就会压动自整角机，然后按照凸轮板的曲线进行转动，最终将自整角机的输出电压送给电气控制装置系统。该系统方案有下面几个缺点。（1）该种系统的提升机的减速主要是依靠凸轮板的外形进行控制，然而这样的凸轮板的外形都不规则，这就使得在对其的制作加工过程中工艺复杂，不容易加工。（2） 很明显，凸轮板与自整角机要进行物理接触，则就使得在使用过程中容易受到外界各种因素的干扰，从而影响输出电平的稳定性，从而导致在减速段的运行稳定性，造成对提升装置的物理冲击，增加了额外负荷。（3）由于自整角机的额定工作电压为110伏，因而需要单独的电源为其进行供电，这在某种程度上增加了器件与发生故障的因素，而且其输出的电压范围为交流0～50伏，需要通过将此交流电压变为直流信号才能提供给PLC控制芯片，另外其输出的电压的精度度不高。

二、利用超声波传感器的提升系统的设计方案

针对上述的这些缺点，现采用非接触式测量的超声波测距传感器，其额定电压小，不易受到外界因素的干扰，而且能够输出4～20mA的标准直流信号给PLC芯片，从而在提升机的减速段能够保证提升机的运行稳定与控制精度，有效保证了矿井的生产安全。

（一）利用超声波进行测距的基本原理。主要是在测量距离上利用超声波的反射原理。其反射原理如下： 由换能晶片产生并发射超声波出去后，波在传播的途中由于目标的阻挡作用进而产生反射波，然后反射波发射到换能晶片上，通过内部传感器等对超声波的发射时刻与到达时刻的时间进行插值计算，就非常容易的得两点之间的距离D：

D=c*（t/2）

其总，c代表空气中的超声波的速度；t则表示超声波在收发两点之间的时间差。

（二）减速段的提升机系统方案设计。本系统采用超声波发射原理测量距离方法，现利用可编程逻辑控制单元、超声波传感器以及变频器对减速段的提升机进行速度控制系统的相关设计，其系统原理概况框图如下所示：

如上图所示，矿井的提升机在到达停车位置的过程中，超声波测距传感其会为PLC的模数转换模块实时提供测量电流信号，PLC芯片将信号提取后经过减速曲线算法计算出减速段的提升机应当具有的速度信号，从而将此信号通过相关转换送给变频器，进而对电动机的速度进行控制。

（三）本系统中的硬件选型要求。（1）对超声波测距传感器的型号规格要求：选择的超声波测距传感器的输出电压要与

PLC芯片所需的的供电电压保持一致，并使得输出的电流信号的强度为4～20mA，这样对于传感器获得模拟量采集模块和电源的反馈信号较为有利。根据如上要求，现选取S18U1A超声波测距传感器。（2）对PLC及其扩展模块的选型要求：根据实际需要，现选取西门子公司的S7-300系列的芯片，具有标准的

CPU314，内置一个RS485接口；扩展输入输出口选择SM323，扩展模数转换模块需选SM331；扩展模数转换器选用SM332。

三、提升机减速段的减速曲线算法分析

把超声波测距传感器使用为测量模块，那么系统中用到的凸轮板就完全可以直接加工成三角形状，并把此凸轮板固定在深度指示器的减速圆盘上，并把超声波传感器的检测面设定为凸轮板的斜边，再将传感器安装固定在凸轮斜边右边的支架上。如图2所示：

为了满足《煤矿安全规程》中的相关规定要求，以及能够在井口处能够安全稳步停车，现对该系统中的减速曲线算法进行分析。假设提升机减速度为a，提升机的额定速度为v0，减速距离为s0，则有如下公式：

当提升机的额定速度一定的情况下，在满足上述不等式以及到达预定位置时的速度不超过2m/s的条件下，可对减速度a与减速距离s0进行修正。那么有满足如下函数式：

该控制系统的控制模块所需的数字量、速度以及位移之间有下面的关系：SM331的分辨率为12位，其相应数字量为0到4096；而超声波测距传感器S18UIA的输出的直流电流则为4至20mA，能够检测到的动态距离范围为30到300mm。通过上面的数据就能够把数字量与模拟量之间的关系表达出来为：

m=4096/（20～4），那么传感器所能检测到的距离与模拟量的关系可表示成n=（300～30）/（20～4）。如果按照检测距最大为300 mm来加工制造凸轮板，那么凸轮板的尺寸将会有非常大，这将会对深度指示器的结构产生较大影响，通过相应的测试试验，超声波检传感器所能测距的最佳动态范围可为30 到210 mm之间。

现规定提升机的额定速度为2.5m/s，停车时的速度为0，减速度为0.2m/s，则可算出减速位移为15.6m；按照SM331移动后的数字量与上述公式，有如下公式

进而PLC算出d0=（2560/2.5）*v，将此数据量送至SM332，然后SM332输出标准的电流控制信号控制变频器，从而最终实现对电机的运行速度进行有效控制。

在提升机减速段的系统中采用超声波测距传感器作为距离采集的手段，以西门子公司的PLC控制芯片为控制核心，开发出一套能够对提升机在减速段的速度进行有效、稳定的控制的单元系统，能够克服传统提升机控制系统在减速段的诸多缺陷，大大提高了提升机在减速段的性能。

篇3

一、课题背景和研究意义

近年来，科学技术发展日新月异，人们的生活水平也不断提高，新科技产品走近人们身边，机器人的功能和应用领域也在不断扩大。机器人的功能由只能从事简单的、固定的操作，向可以从事多种任务扩展；机器人的工作环境从工厂或者车间现场，走向海、陆、空，走入医院、办公室、家庭以及各种娱乐场所；机器人的应用行业已经不局限于制造业，向医疗、服务、农业、林业、搜救、建筑、海洋等非制造业领域进军，这就要求机器人具有自主移动的功能。目前，移动机器人是机器人科学的研究热点之一，它可以移动到固定机器人无法到达的位置，从而完成特殊的操作任务。轮式移动机器人具有控制简单、运动稳定、滑动摩擦阻力小、能源利用率高、不必要考虑行走的平衡性等优点，正在向实用化迅速发展。本课题研究的目的意在设计出基于传感器的可以实现行走、避障、转向等功能的移动机器人。

目前，移动机器人控制技术的研究关键技术和发展趋势包括以下几点：

1.路径规划控制技术。传感器将实时探测到得工作环境信息反馈给移动机器人，从而获得障碍的形状、尺寸及位置信息，并作出局部路径规划。

2.传感技术。机器人对自身及外部障碍物位姿信息的检测以及处理，获取有效的环境信息，为决策系统提供保障。

3.多传感器信息融合技术。将不同传感器反馈的局部信息整合，消除多传感器间的冗余信息，排除矛盾，提高检测环境的准确性，从而提高系统的决策及规划的准确性。

4.开发技术。研究开放式控制系统和模块化控制系统作为开发的重点技术。

5.智能化技术。知识理解、反应、归纳、推断和问题求解等内容是智能控制系统智能化的主要研究内容[3]。

从以上的分析可以看出，移动机器人要走向实用，必须拥有稳定的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有既安全又友好地与人一起工作的能力。

二、多超声波传感器及信息融合

超声波频率为20kHz以上，波长较短，绕射小，能够按照指定方向传播。超声波的频率越高与光波的相似性越大，其指向性强，速度快，能耗消失缓慢，可在较远距离中传播，距离分辨率又高，同时还具有小体积，轻质量，易于安装，并且不易受到外界环境的干扰等突出优点。因此，超声波传感器在移动机器人的测距方面也得到了广泛的应用。

多超声波传感器的信息融合的目标就是满足系统的实际要求，将环境信息从多超声波传感器中提取并合成，以全面准确的描述环境信息。它一方面要求多超声波传感器系统和其信息系统的相互协调，有机融合以充分体现信息资源的价值；另一方面要求抽象合成，以减少超声波系统的信息通讯与信息处理压力策略。经优化处理后的多传感器信息具有信息冗余性、信息互补性、信息低成本性和信息实时性，因而可以比较完整地、更精确地反馈环境特征。

目前，使用的多传感器数据融合方面具体的方法包括加权平均法、贝叶斯估计法、卡尔曼滤波法、模糊积分法、确定性理论法、人工神经网络法以及D-S推理法等。

在D-S推理中，基本概率赋值函数的数据计算、合成都可以通过D-S合成公式进行处理，但是当决策框架复杂时，基本概率合成公式处理的数据量将大大增加。D-S理论法的优点在于不需要先验概率的信息，因此广泛应用于故障诊断、目标识别、综合规划等领域。

本文采用D-S论证法将多传感器信息融合。其基本概率分配函数满足：

三、机器人避障系统分析

本文设计的移动机器人为三轮机构，其中包括：前轮一个，为驱动轮和操舵轮；后轮两个，主要起支撑作用，为随动轮。前轮的驱动与转向分别由直流电机和步进电机进行控制。

直流电动机的突出优点为：启动性能、制动性能良好，可以在大范围内实现平滑的调速，因此广泛应用于需要快速正反转的电力系统中。

步进电机是无刷电机，因为它的磁体转子在转轴上，绕组装在机壳上，没有电刷。转子自由的旋转，与任何构件没有电器上的接触。它能够将电脉冲信号转变成角位移，因此步进电机非常适合于单片机控制。

本系统以SPCE061A为核心，采用六个超声波传感器，分为两组，每组由三个超声波传感器模组完成测距任务，每组超声波测距模组分别在小车的正前方排布和正后方成线阵列传感器分布。超声波传感器通过转接板模拟数字开关CD4052与SPCE061A板进行独立通讯，将测量距离反馈给单片机，使其对控制步进电机进行控制，实现对小车车身的姿态调整纠正及障碍进行自主避障。

路径规划是机器人在未知的、有障碍物的环境中，安全地避开障碍物，找到一条合适路径顺利地从起点移动到终点。根据对不同工作环境的认知程度，可以将移动机器人的路径规划划分为两大类：一类是基于完整环境信息的全局路径规划，即静态或离线路径规划；另一类是基于环境信息部分已知或者完全未知的情况下依靠传感器感知环境信息和作出规划的局部路径规划，即动态或在线路径规划。

本文的轮式机器人采用超声波传感器来探测障碍物以获得环境信息，具有近似、不完善性并且混杂着一定的噪声，而模糊逻辑算法的一个突出优点是能处理这种不确定输入信息，并且能产生较为光滑的输出量。其次，轮式移动机器人动学模型比较复杂，因此难以确定，而模糊逻辑算法是不需要精确的数学模型。此外，轮式移动机器人为一个典型时延、非线性的不稳定系统，而模糊逻辑算法可以实现输入空间与输出空间之间非线性映射。因此，我们选择模糊逻辑算法进行本文的轮式移动机器人的路径规划方法。

结论

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一、靶式流量传感器在钻井液出口流量检测中的弊端

现场流量传感器均采用靶式流量传感器，该传感器测量原理是依据出口钻井液流量大小的变化使得出口流量管内钻井液液面的高低起伏变化，从而带动靶式流量传感器的摆动把一起摆动，摆把带动紧固在其根部的圆形滑动变阻丝不断滑动，使滑动变阻器的输出电阻发生瞬时变化，传感器将可变电阻的输出电阻的变化转化成输出电流的变化，在仪器上通过标定反映出所要测量出口流量的大小变化，从而实现定量检测出口流量大小的目的。由于出口流量的变化加之架空槽坡度较大，使得出口流量液面起伏较大，所以靶式流量传感器不停摆动，这样传感器电阻滑动圈由于频繁不断的来回滑动很容易损坏， 再者就是由于把手不断摆动使得机械转动部分容易磨损损坏，以及容易产生把手与滑动轴承之间松动而出现变阻丝不滑动等情况，加之传感器安装在高空流量管线上，这会给现场维护、维修和更换流量传感器带来很大的麻烦。

二、超声波体积传感器在钻井液出口流量检测中的实践分析

超声波体积传感器是利用传感器发射和接受超声波的时间差来计算钻井液池液面高度的原理来设计的，使用超声波体积传感器来测量出口架空槽内钻井液液面的高度变化，能反应出口流量的大小变化。超声波传感器测量反应灵敏，精度高，不易损坏，加之安装位置灵活，可以选择在方便维护的位置安装，极大地降低流量传感器的维修次数和频率，减小操作人员工作量，降低流量传感器成本，提高录井资料的质量。

靶式流量传感器测量原理就是依据出口流量的变化导致出口管内钻井液液面高低发生变化，从而带动流量传感器靶手上下摆动，形成传感器输出电阻变化，进而转化成传感器的输出电路的变化，所以反映出了流量大小。通过分析不难看出，钻井液流量大小变化实质上是管内液面高度的变化，而靶式流量传感器问题之多、寿命之短能不能找个替代传感器来取代现用的传感器，通过上面分析，出口流量的变化其实质是出口流量管内液面高度的变化，超声波体积传感器就是通过传感器检测池内液面高度的变化来实现测量池体积的变化。因此，可以使用超声波体积传感器来替代靶式流量传感器来测量出口流量的变化。

超声波体积传感器其测量池体积原理是利用传感器发射和接受超声波的时间差来计算钻井液池液面距离传感器探头之间的高度的原理来设计的，进而根据液面高度与池体积的关系来反映出钻井液池体积的变化来。依据这个原理，使用超声波体积传感器来测量出口架空槽内钻井液液面的高度变化，也就是反应出口流量的大小变化。而且，超声波传感器反应灵敏，测量精度高，不易损坏，加之安装位置灵活，可以选择在方便维护的位置安装，这样极大地降低流量传感器的维修次数和频率，大大减轻现场设备操作人员的传感器维护保养强度，降低流量传感器成本，提高录井资料的质量。

三、超声波体积传感器安装与应用

超声波体积传感器主要是改造安装传感器的固定支架是能否用超声波体积传感器替代传统靶式流量传感器的关键所在。首先要做好安装前的超声波支架改造工作。支架焊接需要注意四面的加高铁板一定要焊垂直，否则会影响使用后的测量效果，一旦焊接不正，很有可能造成传感器信号不是和液面垂直，而是有一定的角度，这就会造成测量数据波动，甚至跳动，从而出现假的“流量波动信号”，给正确判断出口流量变化造成不必要的麻烦。所以这一点一定要把握好，确保超声波流量传感器信号的质量。再就是开口不能太小，至少20cm*20cm，否则超声波流量传感器容易受到四壁的铁板干扰而造成测量值跳动，给超声波流量传感器正常使用带来很大的麻烦。另外超声波流量传感器安装要求垂直于液面，并与四壁平行，确保超声波流量传感器使用不受干扰，其信号只反映液面高度的变化。

为确保超声波流量传感器固定支架改造、安装的标准规范，要求录井技术人员首先要准备好图纸，在图上标注好相关材料的大小尺寸和技术要求，最好采用标准的三维可视图，把空间尺寸和关系交代清楚，并标上尺寸大小，和技术要求。图纸要求规范准确，三视图必须准确。做好图纸后，要求反复审核，确保无误后交付井队施工焊接技术人员准备开始施工。在整个施工过程中，要求录井技术人员全程协助并监督井队焊接技术人员，从取材、四块加高开口的铁板割取、焊接、以及加高后焊接传感器固定支架的平面方板，均要为工程提供准确的尺寸和技术标准。并协助钻井焊接技术人员完成相关工作。确保超声波流量传感器安装支架焊割质量、焊接质量，通过控制安装质量来控制超声波流量传感器工作质量，从而尽量避免超声波流量传感器信号干扰，提高超声波流量传感器的测量准度。

篇5

1 胶缸液面检测方式对比

我厂包装设备中有两种主要机型，一种为在国内市场占有率较高的GD包装机，生产能力400包/小时。另一种是新型高速机ZB47生产能力500包/小时。在卷烟生产过程中胶缸液面检测一直是困扰生产效率提高的环节。GD包装机液面检测传感器是电容传感器开关量输出。在生产过程中有时会出现误动作，严重影响产品质量和生产效率。而在ZB47高速机上胶缸液面检测采用的是基于超声波传感器的液位高度测量系统。

该测量系统中超声波传感器的原理：超声波可在不同介质中以不同的速度传播，由于超声波具有定向性好，能量集中，在传输过程中衰减小，反射能力较强等特点，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测法，不受光线，被测物颜色等的影响，它不仅能够定点和连续测液位。与其他测位技术相比较，它不需要特别防护，安装维修较方便，而且结构方法都较简单，价格低廉。在超声波液位测量技术中，应用最广泛是超声波脉冲回波方法，由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接受所需的时间，根据媒介中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液位高度。

该测量系统无论在稳定性还是在准确性上都优于GD包装机上采用的方式。值得在GD包装机上推广。

2 基于超声波传感器的液位高度测量系统

2.1胶液液面检测的重要性

大多数的卷烟机的胶缸一般是给小包包装处和大条成型处进行供胶，如果在生产过程中，胶缸检测出现误动作，导致胶缸不供胶或者不停供，维修起来不仅会大大降低卷烟厂的生产效率，而且还会产生大量的废烟，增加卷烟厂的能耗。

2.2 GD包装机超声波的胶缸液面方案的设计

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到使用要求。另一方面在工作中，超声波传感器有着优越的抗干扰性与工作的稳定性，结合ZB47上的应用，选择超声波传感器代替原设备的电容传感器进行测量物体间的距离。 超声波传感器的输出信号是0―10V，信号需要数据处理，显示和设定。综合各方面因素，采用PLC作为控制器，针对超声波传感器的测量结果进行处理，用触摸屏进行显示和设定。如图所示，系统软件设计的总框图。

2.3基于超声波的胶缸液面测量的控制

GD包装机胶缸液面测量系统主要完成显示液面高度、设定报警区间和注胶时间功能。区间设定时根据实际情况设定，保证涂胶量能符合生产工艺要求。根据液面高度和注胶高度的比较来判断是否注胶。根据液面高度情况还可以判断元气件是否损坏等功能。并且能针对超声波传感器的测量结果进行如下处理：

（1）实现供胶的闭环控制，并随车速的变化随时增加和减少供胶量；

（2）设定高低位报警功能；

（3）以数字的形式显示测量距离。

3 系统运行结果

篇6

目前国内外对超声波的研究很多，并且有许多与人们日常生活息息相关的应用。超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，在医学、军事、工业、农业上应用广泛。考虑到大雾导致车祸对人生命健康的极大危害以及超声波的优越性，我们有了对这个题目进行研究的想法。

1.关于超声波的研究

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此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，该特性就越显著［1］。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。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大［1］。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，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，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［2］。另外超声波还具有化学效应。

现在我们介绍有关超声波散雾的知识，一定频率的超声波作用与雾滴也会发生作用，雾滴在吸收超声波的同时与此超声波产生共振，发生共振时，雾滴的结构发生破碎或碰撞，达到驱雾散雾的实施目的。这就给我们这个研究项目，利用超声波来散雾，提供了理论依据。

超声波对自然雾气中粉尘颗粒具有聚结的作用，从而能加速沉降，沉降的结果使分散体系发生相分离［3］。可利用悬浮在流体(气体或液体)中的固体颗粒下沉而与流体分离。总的来说，超声波对非均一系统的作用，主要是利用声能使悬浮的颗粒积聚成比较大的颗粒，然后使之沉降，雾气中的雾滴在于超声波发生共振式，结构破碎，比重轻的水汽上浮，比重大的颗粒聚集并下沉，从而最终达到散雾的目的。

2.超声波除雾装置工作原理

当把超声波散雾的道理应用到实际中时，则是以超声波散雾电路的形式实现得（即除雾装备），其特征是电子振荡电路产生与雾滴发生共振的超声波振荡频率信号，振荡电路连接电子功率放大电路，功率放大电路连接超声波换能器，或电子振荡电路直接输出连接超声波换能器；同时，通过外加电路或振荡电路本身产生高幅度的脉冲波由功放电路混合到电路中，使所发射的超声波混合有高幅度的脉冲波成份，雾滴在吸收超声波的同时与此超声波产生共振，发生共振时，雾滴的结构发生破碎或碰撞，达到驱雾散雾的实施目的。除雾装备的启动和停止有对雾敏感的湿度传感器控制电路来自动控制。

3.散雾湿度传感器电路设计

3.1 硬件部分（电路）

3.1.1 主要芯片选择与芯片特点

AT89SS52单片机：AT89SS52是基于增强的51结构的低功耗8位CMOS微控制器。高性能、低功耗的AT89SS52单片机主要特点如下：先进的RISC结构、非易失性的程序和数据存储器、JTAG接口、外设特点、特殊的处理器特点［4］。因此AT89SS52成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

湿度传感器SHT10：瑞士Sensirion公司推出了SHTxx单片数字温湿度集成传感器。采用CMOS过程微加工专利技术（CMOSens technology），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位A/D转换器以及1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合［4］，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。

SHT10的主要特点如下：相对湿度和温度的测量兼有露点输出；全部校准，数字输出；接口简单（2-wire），响应速度快；超低功耗，自动休眠；出色的长期稳定性；超小体积（表面贴装）；测湿精度±45%RH，测温精度±0.5℃（25℃）［4］。

3.1.2 原理图

原理图 Schematic diagram

3.2 程序设计实现的功能

通过湿度传感器SHT10自动检测的环境湿度，然后通过AT89SS52单片机处理并在液晶上显示，当湿度上升到达某一定值，蜂鸣器响，一个发光二极管亮，当湿度下降到某一定值，蜂鸣器停，另一个一个发光二级管亮。湿度控制的上下限可自行设定。此外可以显示日期与时间。

4.本装置实现功能与使用方法

4.1 该装置通过湿度传感器SHT10测量环境湿度，然后通过AT89SS52单片机处理并在液晶上显示，当湿度上升到达某一定值，蜂鸣器响，一个发光二极管亮，此时表示除雾装备启动；当湿度下降到某一定值，蜂鸣器停，另一个发光二级管亮，此时表示除雾装备停止工作。同时，湿度控制的上下限可以自己设定，调整起来非常便利，可以实现复位、功能选择、增大减小量程、确定等功能。所选用的SHT10精度高，反应灵敏，探测电路的反应速度快，可以非常准确的控制除雾装置开启和关闭，从而最大化地平衡功耗和效果之间的关系。

4.2 电路实物使用方法：本装置湿度控制的上下限可自行设定。第一个键是复位键，可以将各设置清除。第二个是功能键，可以选择调节什么变量。第三个按键是增加键，可对数字进行增大调整。第四个按键是减小键，可对数字进行减小调整。第五个按键是确定键。

5.小结

我们对超声波散雾的原理及可行性方面的研究投入了很多的时间和精力。并设计出对雾敏感的湿度传感器控制电路，该电路能够及时监测雾的降临，并自动启动除雾设备，并在除雾后切断除雾设备的电源，实现自动控制。将设计功能电路做成实物。但是由于无法得到大功率超声波发生设备及自身物理知识的不足，没有对“超声波在什么频率范围下可以散雾”得出确切的结论。

参考文献

[1]Alain Leger,Marc Deschamps.Ultrasonic Wave Propagation in Non Homogeneous Media[M].Berlin:Heidelberg,2009:12-21.

[2]曾文远,刘心绪.热学与分子物理[M].成都:四川教育出版社,1987:212-214.

[3]Michael Allaby.Fog,smog&poisoned rain[M].上海:上海科学计技术文献出版社,2009:2-22.

[4]郑峰,王巧芝,刘瑞国,等.51单片机应用系统(第2版)[M].北京:中国铁道出版社,2011:10-58.

篇7

1、引言

超声波测距具有信息处理简单、快速和价格低，易于实时控制等许多优势，它被广泛的应用在各种距离测试的设备中。但超声波传感器在实际应用中也有一定的局限性。在超声波测距中，由于超声波传感器本身的结构和受外界温度等因素的干扰，其输入输出特性呈明显的非线性，靠硬件或软件补偿修正的方法对提高其测距精度的效果不大。所以，本文提出了基于径向基函数神经网络实现超声波传感器的建模，对超声波测距进行温度补偿和非线性误差校正的方法。

2、用 RBF神经网络改善超声波测距的精度

2.1神经网络实现非线性误差校正的原理

设超声波传感器要测量的实际距离为 d，实际距离d决定t2-t1，环境温度为T，超声波传感器测量输出的结果为h，经RBF网络校正后的距离为Dr，则超声波传感器测距系统可以表示为 h=f(d，T)，由于传感器产生的非线性误差和温度的影响，使得 f(d，T)呈现非线性特性。校正的目的是根据测的 h求未知的 d，即 d＝g(h，T)，也就是需要建立超声波传感器的模型其原理可以表示为图 1所示。

超声波传感器输出 Dr通过一个补偿模型，该模型的特性函数为Dr=g(h，T) ，其中Dr为非线性补偿后的输出， g(h，T)显然是一个非线性函数。通常非线性函数的表达式很难准确求解，但可以利用神经网络能很好地逼近非线性函数的特点，通过建立神经网络模型来逼近该非线性函数。本文选取RBF神经网络模型。

2.2 RBF 神经网络

RBF网络是一种局部逼近网络。它对于每个输入输出数据对 , 只有少量的权值需要进行调整。它采用一组正交归一化的基函数 ―― 径向基函数的线性组合来逼近任意函数。

常用径向基函数有高斯函数、多二次函数、薄板样条函数等。由于输入矢量直接映射到隐层空间 , RBF的中心确定后 , 这种非线性映射关系也就确定 ,因此 RBF的学习算法首先要确定径向基函数的中心 ,本文径向基函数的中心采用高斯函数（Radbas(n)=e-n2）,其隐含层的输入输出模型如图2。

对于本文的超声波传感器逆模型的RBF网络模型，输入为h和T，训练后的实际输出为Dr，期望输出为d。超声波传感器非线性校正逆模型采用RBF网络，输入层2个节点，输出层1个节点，扩展系数为0.5（实验结果表明扩展常数为 0.5 时对应隐含层神经元个数适中，故扩展常数选为 0.5），通过测量获取了50组数据集作训练样本，将输入量作归一化处理后，按照上述的RBF神经网络的学习方法学习。神经网络的训练和仿真是在Matlab 6.5环境下，通过神经网络工具箱，编制相应的程序而实现。

在matlab上应用 RBF神经网络进行仿真温度补偿和非线性误差校正后，系统的测距精度大大提高，表 1所示为未经神经网络处理和神经网络处理后的测距比较。

比较结果表明，神经网络处理后的结果与实际距离很接近，精度大大提高了。

3、结束语

实际应用中，超声波测距易受温度等多种因素的影响，利用RBF神经网络良好的非线性逼近特性、自适应能力学习能力，可优化超声波的输出特性，而且网络结构简单，便于单片机实现或固化在硬件中。仿真结果表明，利用RBF 神经网络能很好地逼近非线性函数，实现了超声波传感器建模，对传感器进行非线性误差校正，效果相当明显，大大提高了超声波测距的精度，使其测距误差控制在毫米级以内，这是采用其它校正方法是无法达到的。

参考文献：

[1]谭超，许泽宏，李维一，付小红，王健．基于小波神经网络建立虚拟仪器非线性较正型[J]．微计算机信息，2005．12（1）P157-159．

[2]田社平．基于神经网络模型的传感器非线性校正．（英文） 光学精密工程．2006

[3]Binchini M，Frasconi P，Gori M. Learning without local minima in radial basis function networks.IEEE Trans. on Neural Networks, 1995，6(3)：749～755）

篇8

倒车雷达通过超声波传感器对外发出超声波，当超声波撞击到障碍物后便会反射回来，并再次被超声波传感器接收，此时控制器则通过超声波传感器发出并接收超声波的时间来计算障碍物的实际距离，最后再通过蜂鸣器发出急促的警报声，用以提醒驾驶员注意障碍物距离。

倒车雷达没有障碍物也响是怎么回事？

倒车雷达传感器脏污。解决方法：擦拭倒车雷达传感器。

倒车雷达报警器通路。解决方法：检查倒车雷达报警器端，线路是否异常。

篇9

中图分类号：TP24 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)09-122-02オ

An Orientation System of Underwater Robot Based on Single Chip Computer

ZHOU Shibin,HAO Jingru,HUANG Min

(Beijing Institute of Machinery,Beijing,100085,China)

オ

Abstract：The orientation system of underwater robot captures the distance information by the ultrasonic sensors,and uses three points location theory to compute the coordinate of the position.To save the time and temperature information by single chip computers,which transmit this information to the industrial PC to complete the orientation.Finally,we can obtain a lot of orientation data through experiment.Then we can obtain the orientation precision of two different type sensors which used for sending signals,though analyzing these data by the method of non-linear optimization.The conclusion is valuable reference for the improvement of the system and orientation precision.

Keywords：ultrasonic wave;underwater orientation system;single chip computer;distance measurement

本课题研究的机器人工作在大约40 m深的浆液下，为了防止水煤浆由于长时间的存贮而沉淀，他能在按照预先规划的轨迹行走时完成搅拌功能。在这种条件下，一个很重要的问题就是机器人定位功能的实现，用来实时了解其具置。本机器人定位系统采用多路超声波传感器测距，然后采用三点定位法[1],把测距信息转化为机器人的位置信息。超声波作为一种无接触检测方式，与激光、红外以及无线电测距相比，在水煤浆中可以比较容易地穿透水煤浆达到测距的目的，且精度较高。

1 超声波测距系统

1.1 超声波测距原理

超声波测距原理一般采用时间度量法，计算公式为：

И

D=vt

(1)

И

式中D(m)为超声波传播的距离，v(m/s)为超声波在介质中传播的速度，t(s)为超声波在介质中传播的时间。而超声波在介质中传播的速度由介质的性质和温度T(℃)决定，由此可得到水中超声波的波速[2]为：

И

v=1 4492+4623T－0054T2

(2)

И

1.2 超声波测距的硬件系统

系统硬件框图如图1所示，其设计为分布式控制系统。在本系统中USR1为超声波发射传感器，USR2，USR3，USR4为接收传感器，他是型号为JSS-03的液下专用超声波传感器，该传感器既可做接收用同时也可做发射用，其灵敏度高，额定脉冲工作电压高，瞬时输出功率大。温度传感器选用DS18B20[3],该传感器具有单总线、抗干扰、测温范围宽(-55 ~+125 ℃)、适合远距离恶劣环境测温的特点。在本系统中使用的单片机(MCU0,MCU1,…MCU4)均选用51系列单片机AT89C52。

图1 系统硬件框图

当系统处于工作状态，由MCU0每隔3 s产生一个脉冲，信号经过放大激发信号发生器ST-3A，然后触发超声波发生器USR1；同时给MCU2,MCU3,MCU4的中断INT0一个低电平，使他们开始计时。当接收超声波传感器接收到发射超声波传感器发出的信号后，立即把产生的接收信号传给单片机，中间的信号调理过程为一级放大(放大100倍)、带通滤波、二级放大(放大50倍)、电压比较、光电隔离，其中电压比较的基准电压可调，当信号电压高于基准电压时使MCU的INT1中断。INT0中断和INT1中断的时间间隔即为发射与接收传感器间的时间，他存储在单片机固定的RAM中。而温度传感器DS18B20是分时完成对环境温度的测量的，采用严格的时序单片机进行双向通讯。单片机把温度信息存在他的固定RAM中。

1.3 超声波测距的软件系统

要完成对机器人的位置信息的测量就要求把存储在单片机RAM内的时间信息和温度信息采集到上位机中，然后把这些信息融合起来得到机器人的确切坐标。工控机与下位机采用串口通讯方式，通讯协议为MODBUS协议。同时上位机采用VC 60作为开发工具，工控机的软件程序采用模块化编程，程序主要由串口通讯模块、三点定位模块、数据库模块及界面模块组成,其循环通讯的流程如图2所示。

图2 循环通讯流程图

2 实 验

2.1 实验准备

为了验证程序的可靠性和对比两种超声波发射传感器在定位过程中的效果，做了水下定位实验，该实验是在9 m×7 m的长方形水池中进行的，水深25 cm左右。在实验之前在水平面内建立直角坐标系，同时在r=3 300 mm的圆周上均匀放置三个超声波接收传感器，其坐标(单位：mm)分别为(3 300，0)、(-1 650，2 858)、(-1 650，2 858)，在实验过程中超声波发射传感器在此圆周内移动。

根据以前一系列的实验结果，在本次实验的软件系统中对测距程序按下式进行了修正：(单位：mm)

И

y=(x－240)/1083 6

(3)

И

2.2 实验结果

(1) JSS-03型超声波发射传感器

该传感器的最佳发射频率为10 kHz，发射面为一个平面，波束角为60°，其指向性很强，在此定位系统中，3个接收传感器都能够收到该发射传感器的信号，但在其波束角内的接收传感器接收的信号比其他两个强，这就影响了接收传感器触发时的灵敏性。

如图3所示，中间的实线圆为经过非线性优化过的发射传感器的移动轨迹，半径为3 204 mm，这些定位点分散在轨迹圆的周围，外侧的虚线圆为偏离原点最远点所在的圆，内侧的虚线圆为距离原点最近的点所在的圆，最大误差为808%，这些误差主要来自于发射中心产生的误差和测距产生的误差。

图3 JSS-03型传感器定位结果图

图4 LYF-20型传感器定位图

(2) LYF-20型圆周发射传感器

复制的最佳发射频率为22 kHz，发射面为圆柱面，他的优点就是对于三个接收传感器而言发射中心是固定的，并且他们接收的信号强弱一致，但他的指向性不强，由于信号分散，故其发射的信号弱于JSS-03型传感器。如┩4所示。由于从发射源头就避免了发射中心产生的误差，所以他的定位精度较高，主要误差来自于测距误差，其优化后的轨迹圆半径为3 154 mm，最大误差为378%。在此可以看出，频率对超声波的测距是有很大影响的，频率越大，精度越高。

3 结 语

从实验结果看出，定位系统是可行的，有较高的可靠性，并且本系统的实时性可达1 s，其精度也可以达到我们预期的效果，但是硬件系统还有提升的空间。研究内容对水下机器人的定位，信号的采集，数据的远距离传输等都有参考价值。[LL]

参 考 文 献

［1］俞竹青.那须康雄.超声波网络导航中移动机器人的位置计算［J］.机器人技术及应用,2002(3):36-39.

［2］桑金.水深测量中的声速改正问题研究［J］.海洋测绘，2006,26(3):17-20.

篇10

TPMS

利用村田的冲击传感器制作的TPMS(胎压监测系统)可延长电池的使用寿命。由于TPMS靠电池来驱动，需要使用时间长，村田的冲击传感器方案使汽车停止时系统处于睡眠状态。

倒车雷达

主要是超声波传感器在倒车雷达上的应用。汽车的前部和后部通常安装了多个超声波传感器。普通传感器探测的水平和垂直方向角度是一样的，其缺陷是若发射角度在垂直方向太大的话，先接收到这些垂直信号时，会造成错误的报警信号，例如碰到地面上一块小石头就会影响停车；村田传感器在垂直方向角度小，在水平方向角度大，这样能够提高检测的精度和准确性。村田还有一种在汽车侧面安装的超声波传感器，帮助驾驶员检测侧面的空位能否停车，主要用于路边停车。

监测传感器根据检测的距离不同，分成几种技术(如图)：1，毫米波(MMW)雷达，主要针对前方近距离的高精度检测。该系统的缺点是价格比较昂贵，离人们使用还需要一段时间。2，在75米左右距离检测可以使用红外(IR)传感器，其成本较低。不足之处是如果碰到雨雾等障碍时，精度会突然变得很差。3，最近也有使用摄像头、视频(video)技术来对周围情况检测的方案，这也可以用于倒车辅助系统，但观者没有空间感，自己处在什么位置不能做出很好的判断。4，所以对短距离的测距，使用超声波传感器(US)是比较容易接受的，采用声音信号来报警较容易，并且成本上超声波传感器更加经济有效。

导航系统