超声波传感器例1

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).

超声波传感器例2

超声波是一种弹性波，它具有X射线以及光波和磁波等诸多波线所不具有的功能特点，正是基于超声波的应用灵活性与技术要求性高等特点，人们将其制成超声波传感器进行工业实践与应用。

一、超声波传感器概况

1.1超声波及其原理

物体机械振动状态的传播形式就是声波，而超声波主要是指声波频率在20000Hz以上的声波形式。由于这种声波每秒钟的振动频率较高，因此大大超出了人耳所能承受的听觉范围。超声波按照其在机械振荡过程中的不同表现形式，可将其分为纵向与横向两种振荡波[1]。而在我国现阶段的工业实践中，主要应用的是纵向振荡波，与可听声波相比，超声波具有独特的传播特征，其衍射能力较强，而且在均匀的传播介质中可以进行直线传播。一般情况下，在同等强度条件下，声波的频率与功率具有正相关性，声波频率越大，其传波的功率就越大。因为超声波要比一般声波频率更大，所以其在运行传播时的功率也较大。由于超声波具有诸多优点，因此在不同环境下得到了广泛应用与实践。

1.2超声波传感器的特点

超声波传感器是利用超声波的上述优点研制而成的一种数字传感器，以超声技术为核心、超声传感装置为载体，进行超声波传输与接收。通常情况下，超声波传感器又称为超声换能器及超声探头。超声波探头主要由压电晶片构成，其不但可以接收超声波，而且可以发射超声波。因此在超声探头中，核心运作组件就是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。这种压电晶片通过具有磁致伸缩作用的镍铁铝合金材料与具有电致伸缩作用的压电晶片材料制成。采用压电晶体材料构成的超声波传感器是具有可逆功能的一种数字化传感器，在其运行过程中可将机械设备的电能转化为机械能，从而在不同能量转化过程中产生超声波。与此同时，超声波传感器可接收超声波，从而将机械能转化为电能[2]。因此，按照超声波传感器的实际工作运行原理，可将其分为超声波接收器与超声波传输器。

二、超声波传感器的具体应用分析

首先，超声波传感器可在远距离传输过程中得到运用。通过上述分析可知，超声波传感器主要由处理单元模块及超声换能单元模块、输出单元模块所组成。在具体应用过程中，处理单元模块可对超声换能器进行电压激励，从而使经过激励后的电压以脉冲形式发出电磁波。随之，超声换能器转入接收状态，处理单元模块对接收到的超声波脉冲进行科学分析，以此判断其接收到的信号是否是超声波的回声[3]。如果经过核实，其所接收到的信号是超声波回声，则对超声波的声波传输时间进行测量分析，按照行程测算结果，对反超声波的行程时间进行测算分析。在具体应用过程中，可将超声波传感装置安装于适当位置，并对被测物体变化方向发射的超声波进行分析，就可测量物体表面与超声波传感器之间的实际距离。

其次，超声波传感器可在医学领域进行广泛应用。目前，超声波在医学领域中的实践应用，主要体现在患者临床疾病诊断方面。随着这项技术不断成熟，超声波传感器诊断已成为我国现阶段医学领域中的一种重要诊断方式。在实际运用过程中，利用超声波进行疾病诊断的主要优点是受检者无明显的疾病痛苦，而且实践操作过程非常简单、无损害、无创伤，诊断过程中有较为清晰的显像，尤其是诊断精确率较高。

另外，超声传感器在测量液位中具有重要作用。在液位测量过程中，超声波的使用原理是，通过超声波探头发出超声脉冲信号，其在空气中进行广泛传播。当传播过程中遇到空气与液面之后，就会被被测液体的液面反射回来，此时技术测量人员可根据反射回的信号测算时间与距离，从而得到液面实际高度。在液面测量中，超声波传感器测量技术属于非接触式测量，因此测量过程中电磁干扰小、不易受到刺激性液体腐蚀，且测量结果稳定，设备使用寿命较长。

除此之外，超声波传感器可在测距系统中得到应用实践。采用超声波传感器进行距离测算，不但可以科学测量设备输出脉冲的宽度，而且可以测量脉冲波的具体运行时间。因此，测量精度较高，并可对测量结果与测量过程进行修正。

结束语：综上所述，超声波传播方向性较好，因此能够集中进行传播；同时，超声波的传播适应能力较强，其能够在不同传播媒介中进行科学传播，而且能够实现远距离传播；再者，超声波与传声媒介的相互作用适中，而且在传波过程中容易携带有关传声媒介状态的信息。因此，基于上述应用优点，其在我国诸多技术领域已得到广泛应用与实践。

参 考 文 献

超声波传感器例3

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.

超声波传感器例4

【中图分类号】 TP732【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0016-01

相较于可闻声波，超声波具有传播方向性强、能量易于集中，能在不同媒质中做远距离传播，易于携带有关传声媒质状态的信息等特点，利用其特点制成的超声波传感器广泛应用于透明液体、固体、表明光滑/粗糙的密致材料和不规则物体的检测中，在烟草加工厂用于实现包装检测的闭环控制系统，因此本文笔者将深入探讨超声波传感器在烟草包装机上的应用。

1. 超声波传感器的概述

1.1 超声波传感器的构成

在二十世纪中期，人们发现在高电压窄脉冲作用下，某些介质的晶体（如石英晶体、酒石酸钾钠晶体）会产生较大功率的超声波，其振动频率在20kHz以上，超出了人耳的听觉范围，具有波长短、频率高、绕射现象小和方向性好等特点。

超声波传感器就是利用超声波的特性而研制成的传感器，其由电源部分、控制部分、发送传感器和接收传感器等部分构成，其中发送传感器由发送器和直径约为15mm的陶瓷振子换能器构成，陶瓷振子换能器能够将陶瓷振子的电振动能量转化为超能量，然后辐射到空气中；接收传感器由放大电路和陶瓷振子换能器组成，陶瓷振子换能器接受波将产生机械振动，然后转化为电能量后进行输出，从而对发送的波进行检测；电源部分可以采用DC12V±10%或者是24V±10%；控制部分主要是控制发送传感器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数、探测距离等。

1.2 超声波传感器的性能指标和应用

超声波传感器的性能指标主要包括灵敏度、工作频率和工作温度，其中灵敏度主要取决于制造晶片的性质，制造晶片的机电耦合系数越大，那么超声波传感器的灵敏度越高；工作频率就是压电晶片的共振频率，当加在其两端的交流电压频率和压电晶片共振频率一致时，超声波传感器输出的能量为最大；超声波传感器的工作温度较低，可以确保其长时间正常工作。

目前超声波传感器广泛应用于医学、金属的无损探伤、测厚和测量液位等，具体说来：（1）在医学上的应用。将超声波传感器应用于疾病的诊断时，当超声波在人体组织内传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就会产生反射回声。每遇见一个反射面，所产生的反射回声就会显示在示波器的显示屏上，而两个界面的阻抗差值就决定了回声振幅的高低。在疾病诊断中使用超声波传感器，能够极大地简化操作程序，提高诊断准确性，并且不会对患者造成损害和痛苦，因此深受广大医患人员的欢迎。（2）工业上的应用。在工业上，超声波传感器的典型应用是对金属的无损探伤和厚度的测量。利用超声波传感器，既可以对材料表面的缺陷进行检测，又可以对材料内部的缺陷进行检测。（3）液位的测量。超声探头发出的超声脉冲信号在气体中传播，遇到空气和液体的界面后被反射，接收到的回波信号后计算出超声波往返的传播时间就可以换算出液位的高度。（4）距离的测量。超声波测距大致有两种方法，一种是取输出脉冲的平均值电压，该电压与距离成正比，测量电压即可测得距离；另一种是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，被测距离为1/ 2vt。

2. 超声波传感器在烟草包装机上的应用

以前烟草包装机大多采用电容式传感器来对胶位进行检测，但此种方式的缺点是胶缸内搅拌辊作用容易让很多胶液粘到电容式传感器上，从而引发较大的质量事故而影响检测准确性。近年来，随着超声波传感技术的快速发展，烟草包装机上已经开始广泛采用超声波传感器，并且应用效果非常良好。本文将以广泛应用于烟草包装机上的瑞士B aum er公司生产的UNDK 30U6113/S14为例，来对其在胶位检测中的应用进行探讨，图1为该超声波传感器的外形图。

（1）UNDK 30U6113/S14超声波传感器的模拟量如下：

①基本参数：感应范围为30～250mm，声波频率为300kHz，重

复性

②电气参数：工作电压为15～30VDC，电流消耗（最大）为35mA，

输出电路为电压输出，输出电流

采用短路保护和反向极性保护；③机械参数：外壳材料采用多元

酯/压铸锌，直径为30mm，长度为65mm，深度为31mm，

连接器采用连接头M12。

（2）工作原理：通过压频转换器，UNDK 30U6113/S14超声波传感器将检测到的输出值传输给CPU，然后CPU会将超声波传感器检测到的值与软件内部设定值进行逻辑运算，根据计算结果来确定胶泵是否像烟草包装机的小盒胶缸内注胶，以及注入胶量的多少。当胶位超出规定的限制时，会出发报警信号并停止包装机的运作，同时CPU会持续地比较超声波传感器检测到的输出值是否在胶泵注胶的上限限值间，如果输出值超过限值，那么就会提示“胶位读取不协调”，并且发出警报。

（3）UNDK 30U6113/S14超声波传感器的设定。对于UNDK 30U6113/S14超声波传感器而言，其输出信号有两种方式，即0～10V/ 10～0V，这里将以0～10V为例来说明怎么对其进行设定。首先为了恢复出厂设置，需要拔下UNDK 30U6113/S14超声波传感器的电源插头后再插上，接着一直按着Teach-in按钮约两秒，待双色的LED灯显示为红色或黄色，再松开Teach-in按钮；然后开始0V的设定，此时压住弹簧，让一张背面向上的盒皮尽可能接近传感器，然后按下Teach-in按钮；最后开始10V的设定，将盒皮背面放置在胶体导轨上，然后按下Teach-in按钮。当两个双色LED亮的时间超过2s时，说明按下Teach-in按钮过程完成。

（4）UNDK 30U6113/S14超声波传感器的参数调整。在具体操作中，粘胶的水平理想值一般控制在5000mA左右，粘胶的水平最高临界值一般控制在4500mA左右，粘胶的水平最低临界值一般控制在5500mA左右；胶位偏差-涂胶器接近值一般控制在500～1000mV的范围内；最佳位的变化一般控制在在50～100mV的范围内。在调整胶位偏差-涂胶器接近值参数时，要尤其注意其应该大于胶缸处于最低位时胶位的实际值与粘胶水平理想值的差值，否则机器会显示“胶位读取错误”，并发出报警信号且不能复位。

3. 小结

从前文的分析可知，超声波传感器具有操作简单、使用方便且成本较低的优点，目前已经广泛应用于自动化生产过程中。将Baumer公司生产的UNDK 30U6113/S14超声波传感器应用于烟草包装机上，能够很好地进行胶位的检测，便于设备处于最佳工作状态，产品处于最好的质量。当然，超声波传感器在烟草包装机上的应用还存在一定的缺陷（如噪声问题），这需要日后的进一步研究和完善。

参考文献

超声波传感器例5

伴随着我国烟草制造行业的不断发展进步，卷烟产品的品牌竞争不断加剧，卷烟产品的包装也随之不断创新。好的烟草包装不仅能表现出烟草品牌的内涵与文化，也为烟草品牌的扩张发展提供了支持。国内外学者相关研究表明了当前卷烟厂商同卷烟消费者二者之间沟通交流的渠道呈现出越来越少的趋势，在厂商消费者缺乏足够沟通交流的情况下卷烟包装对于塑造烟草品牌的重要性就不言而喻了，特别是对于新兴烟草厂商来说大力推行商标战略，为企业的烟草产品设计并包装上品位高端的外包装更是动摇老牌烟草企业霸主地位的利器。而老牌烟草企业在烟草包装的竞争中也没有示弱，老牌烟草厂家业不断开展烟草产品包装的设计研究，同时不断增加包装机设备的维修、改造与更新投入。客观上来说，我国烟草产品从技术主导走向品牌、商标、包装主导是烟草行业总体营销水平进步的表现，也是烟草产品企业迈进品牌主导市场阶段的必经之路。

一、我国烟草包装机应用的现状

我国的烟草包装工业起步于20世纪中期，自改革开放以后更得到了快速发展，逐步建立并形成了包括烟草包装材料、烟草包装工艺和烟草包装机械一系列生产环节在内的完整而独立的烟草包装工业体系。据相关行业调查分析表明，包装机械的使用最为广泛的行业依次为食品产业、饮料产业、家庭用品与化妆品产业、医疗用品和烟草业。具体来说，烟草产业作为我国包装机械的最大使用行业之一，几乎所有的包装机机型、机种均在烟草产品的包装中得到了使用。正是由于我国烟草产业每年推出成千上万种新型产品，从而加快了包装机械的更新换代，因此我国烟草厂商所需要的烟草包装机械需求速度始终处于领先位置。烟草产品包装工业日新月异的发展环境迫使烟草厂商不断加大烟草产品包装的新陈代谢，也让厂商面临烟草包装机维修改造的现实问题。

二、超声波传感器在烟草包装机维修改造中的运用

烟草行业早期包装机维修改造大多采用的是电容式传感器来检测胶位，近年来随着微电子技术的发展特别是超声波传感器的问世，烟草行业包装机逐渐开始普及运用超声波传感器来检测胶位，从而大大提高了包装机维修改造效果的稳定、可靠。超声波传感器是基于超声波传导的特性而研制的传感器。超声波同一般声波相比具有更短的波长，因而具有更好的方向性，由于超声波能产生一种振动频率比声波更强的机械波，这种机械波是通过换能晶片在电压的激励下产生振动激起的，这种机械波具有高频率、短波长和产生绕射现象频率低的特性，特别是具有方向性好、能够成为射线从而定向传播的特点。更加难得的是，超声波能够透过透明不透明物质，尤其是对液体、固体穿透的本领特别大，研究表明超声波在阳光下对不透明的固体穿透实验中，超声波能够穿透达几十米的穿透深度。[1]

Baumer超声波传感器是精密传感器的代表，较同类传感器而言Baumer超声波传感器在生产的精度、可靠性、稳定性方面具有其它超声波传感器无法比拟的优势。过去由于超声波技术发展条件的限制，许多超声波技术因为无法深入的探测到物体组织的内部而受到了质疑，而Baumer超声波传感器的出现带来了技术上的革新从而改变了这种状况。在未来的超声波传感器在烟草包装机维修改造的应用实践中，超声波技术将结合信息技术和新材料技术，从而研究出更多的具有高智能化、超灵敏度特点的超声波传感器。

Baumer超声波物位计测量技术的检测原理：Baumer超声波物位计测量技术运用了超声波传导的声学特性，即在一定的条件下超声波在空气中传播的速度的波动是很小的，所以可以通过计算测量超声波从发射探头传播至需要检修料位表面并返回到发射探头所用的时间，来求得发射探头到需要检修的料位的距离，再用总高来减去这个测量距离就可以得到实际料位值。也即是：

上述公式中，H表示零料位到探头的距离长度；h为料位的表面到发射探头的距离长度；T表示时间；C0表示零摄氏度时超声波在空气中发射传播的速度；α则表示超声波运行速度的温度系数；t表示温度。

近年来，烟草生产厂商不断引进运用于高速包装机检测的小盒胶缸胶位检测技术，该检测采用了瑞士Baumer公司生产的UNDK 30U611.3/S14型号的超声波传感器，大大提高了烟草包装机维修改造效率，Baumer超声波传感器的控制过程是这样的：超声波传感器检测输出值通过压频转换器送给CPU，CPU通过逻辑运算把采集到的实际值与软件内部设定值进行，然后决定是否开始对胶泵注胶，以及注胶到什么位置停止，以及决定超出上下限是否自动报警停机等，同时CPU不断比较超声波当前输出值是否在“胶泵注胶上限值”和“胶泵注胶下限值”之间，否则会报警并提示“胶位读取不协调”故障。[2]

Baumer超声波传感器的设定及调整

（1）该传感器设定方式有两种：一是0～10V，二是10～0V，这里使用的是0～10V工作方式（由软件编程自动选择）。

（2）拔下Baumer传感器电源插头，重新接上电源插头以恢复出厂设置，按下Teach-in按键2秒钟，双色LED灯开始发出黄色或红色灯光时则可以释放按键。

（3）取一张盒皮正面朝下，压住弹簧以使盒皮背面最大限度接近传感器，接着按下Teach-in按键（设定为0V）。

（4） 将盒皮背面放置在胶缸的导轨上，接着按Teach-in按键（设定为10V）。

（5）当2个LED亮灯持续时间大于2秒钟，表示按下Teach-in过程结束。

（6）软件参数调试：粘胶水平理想水平可以设定为5000mV上下，粘胶水平最低临界值可以设置为5500mV上下，粘胶水平的最高临界值可以设置在4500mV上下；最佳位的变化一般设置为50～100mV；胶位偏差与涂胶器接近值一般设置为500～1000mV。

三、结论

由于过去我国烟草制造商在烟草包装机维修改造工作中缺乏科学严谨的组织体系和管理手段，往往造成烟草包装机维修改造工期过长，工程质量也无法得到保障，一定程度上对烟草制造商的经济效益产生影响。为了改变这种状况我们利用现代科学技术在卷烟包装机大修理工程中推行Baumer超声波传感器检测技术。实践表明，Baumer超声波传感器是维修工作中实施统筹和控制，缩短维修工期，使烟草包装机组能够早日投入生产，是提高企业经济效益的有效手段。同常规检测方式相比它的智能化更高，技术更先进，稳定性更好，使用方法简单易行，能带给用户极大的方便。

超声波传感器例6

前言：要想通过移动来找到平基准点，需要充分发挥超声波的非接触式平衡梁作用，有效的克服了传统接触式调平基准中存在的不足现象。通过对数字式控制器的使用，为超声波传感器和控制器之间提供了数字传送信号，确保了信号传输具有较强的抗干扰能力，信号传输更具迅速性、方便性和可靠性，提升了系统的整体性能，被广泛应用于平地机和沥青摊铺机中。

一、相关原理概述

1、调平控制系统原理。调平控制系统由超声波传感器、数字式控制器、控制电路和电磁换向阀组成。每台摊铺机都配备两套控制系统，控制系统分别安装在摊铺机的两侧位置。主要是利用单片机来控制数字控制器，需要将每一侧的超声波传感器固定在平衡梁所制成的直梁上，平衡梁主要是由铝合金制成，主要是将支架安装在摊铺机的一侧位置，来达到调平大臂的目的。熨平板通常会直接放在路面上，并且还会随着路面的变化而移动，通常将该种连接形式成为浮动式熨平板。同时，摊铺机在行走时，在调平油缸的带动下，会随着熨平板一起发生移动。

2、超声波传感器测距原理。非接触式调平系统被广泛的应用雨后超声波测距传感器中，在实际的使用过程中，加大了对脉冲回波方式的合理利用，还可以通过发送探头的形式运营传播介质对发出的超声脉冲波进行传输，声波在发射后，会通过传播介质返回到接收探头上，超声脉冲的时间测试，主要是计算发射到接收所要经历的时间，探头到目标之间的距离计算公式为：L=0.5ct。其中L表示探头到目标的距离，c表示超声波在介质中的传播速度[1]。

二、测距系统软硬件设计

1、测距系统的硬件设计。首先，合理选择单片机。在进行电路单片机测距控制时，需要选择AT89S52型号的单片机，该单片机自身具有高性能和低功耗特点，内部含有8kFlash只读程序存储器，随机存取数据存储器、可编程定时计数器等。其次，做好超声波发射与接收电路设计。需要充分利用单片机的P1.0来控制超声波，并运用三极管来实现驱动，通过输出高电平，能够激发超声波传感器，达到发射超声波的目的。超声波传感器在平时主要是输出低电平，需要确保输出的脉冲电压信号保持在10V，由于此信号与单片机TTL电平出现严重的不相容现象，脉冲信号需要经过电平来转换成脉冲信号。最后，需要做好看门狗接口电路设计。需要充分利用看门狗电路来提升工作的可靠性，防止单片机程序进入到死循环，确保系统能够自动复位，程序重新开始启动和执行。

2、测距系统的软件设计。在对控制系统软件进行设计时，需要加大对单片C软件系统的运用，选用C语言进行编写，测距功能单片机主要是采用模块化设计方法，软件系统由超声波接收子系统、循环发射子系统、数字滤波子程序等模块共同构成。主程序在使用前，需要做好串行通信初始化和定时计数器初始化工作，确保中断功能的合理设计。超声波的循环发射子程序在实际的应用过程中，时间间隔维持在25ms，要求做好超声波发送及万字滤波和数据存储工作，超声波在循环发生时，每次都会产生8个超声波脉冲。在对超声波接收子程序模块中的数值进行计算时，需要运用T2中断来读取计数器中的技术支持，计算出探头距路面之间的距离[2]。

结论：本文主要是对超声波传感器在摊铺机自动调平控制系统中的应用情况进行分析，对调平控制系统原理和超声波传感器测距原理进行简要概述，提出了测距系统软硬件设计方法。通过研究表明，路面高程偏差的非接触式测量符合摊铺机自动调平控制系统的发展趋势，在实际的使用过程中克服了传统接触式调平基存在的不足点，对提升摊铺机的调平系统性能具有重要作用。通过对测距仪系统软硬件的合理设计，提升了测距系统的测量精度，满足了系统设计要求。

超声波传感器例7

工作原理

超声波发送器和接收器合称为传感器。传感器发出40kHz超声波，同时单片机开始计时。超声波碰到被测物，有一小部分反射回来，称为回波。传感器收到回波，单片机停止计时。所测时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间，乘以超声波在空气中的速度，就是往返距离，一半距离就是要测的距离。单片机开始计时后，只要传感器收到回波，单片机就停止计时，即最先返回的超声波才起作用，也就是总是测到离传感器最近的物体的距离。

电路如图1所示，它采用单片机AT89C2051控制，单片机的P3.0脚发出40kHz 脉冲，经非门N2和N1，送到超声波发送器TX。超声波接收器RX把收到的回波信号送运算放大器放大，经三极管C945送到P3.3脚。P3.5脚是警报输出，低电平有效。如测量值达到设定报警距离值，P3.5输出低电平，直接驱动继电器J。P3.4是“没有回波”信号输出，当发送器发出超声波，超过一定时间，P3.3仍没有收到回波，就认为“没有回波”，P3.4输出低电平。

使 用

设定报警距离值 K8~K3用于设定报警距离值，如图所示，K8~K3分别代表0.50~3.00m。优先次序是K8~K3，即若K8闭合，不管其它开关闭合与否，设定的报警距离值都是0.50m；同理，若要设定报警距离值为2.00m，K8、K7和K6一定要断开，K5闭合，K4和K3闭合或断开都可以。如果K8~K3都断开，设定距离值为3.50m。

设定大于或小于 K2用于设定“< >”。 K2断开，当测量值小于设定的报警距离值时，继电器J吸合；K2闭合，当测量值大于设定的报警距离值，继电器J吸合。

例如要设定距离传感器小于1.5m时报警，K8和K7需断开；K6闭合；K5、K4和K3任意；K2断开。

设定“没有回波”

K1断开，“没有回波”不起作用；K1闭合，“没有回波”时，继电器J吸合。

上述已提到，当发送器发出超声波超过一定时间，P3.3仍没有收到回波。没有收到回波的原因是离被测物太远(大于3.60m)，没有超声波被反射回来；回波信号太微弱或传感器电路有故障。电路故障的可能性比较小，这里只考虑信号微弱。由于本电路发出超声波不够强，而且要经被测物反射回来。如果传感器被测物表面是平面，且与传感器轴线垂直，这是最佳情况，回波信号最强，本装置可测量最大距离3.60m。如果传感器与被测物表面不垂直，最大测量距离会小一些，要看具体情况而定。通常情况下，被测物表面不规则，超声波经被测物漫反射回来，就更微弱了。例如测量与人体的距离，距离大于1.8m，就可能出现“没有回波”，这时 P3.4输出低电平。用下面的方法可以把防盗报警距离延长到3.60m。

如图2（a）所示，假如一条小巷两边墙壁距离不超过3.60m。把超声波传感器装于一边墙壁，传感器轴线垂直于另一边墙壁。把报警范围设定为“

超声波传感器例8

一、引言

随着我国经济的不断发展、人民生活水平的提高，对于高速公路等基础性建设事业的标准越来高。沥青路面施工不断提高各项技术指标，目前江苏相关规范要求压实度不小于98%（马歇尔密度），沥青路面上面层平整度的均方差不大于0.8mm[1]。路面平整度是高级公路质量评价的重要指标，传统的接触式平衡梁有着无法克服的缺陷和不足。为了全面提高路面平整度，非接触式超声波平衡梁技术得到广泛应用。

二、超声波测距系统

1.超声波测距原理

超声波测距原理是通过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时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。

2.超声波传感器

超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声波探头或超声波换能器。这种装置能发射超声波和接收超声波，并转换成相应的电信号[2]。超声波传感器主要以超声波作为检测手段，产生超声波和接受超声波，它有发送器和接收器，一个超声波传感器也可具有双重作用。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。

三、非接触式超声波平衡梁的优点

超声波平衡梁系统采用了数字式控制器，多个超声波传感器与控制器之间都以纯数字形式传送信号，信号传输方便、迅速、可靠，抗干扰能力强，使调平系统的综合性能得以大大提高。利用超声对目标进行检测有其独特的优点：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，几乎沿直线传播；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波对色彩、光照度不敏感，对外界光线和电磁干扰不敏感，可以用于黑暗、有烟雾或灰尘、电磁干扰强等恶劣的环境中；超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。正因为超声波有着这些独特的优点，能够利用在摊铺机的自动找平系统中。

四、非接触式超声波平衡梁在实际工作中的应用

1.本文以SMC-8428长靴超声波平衡梁为例，来说明其研究与应用情况，安装示意图如下图所示：

2.工作原理

（1）非接触式超声波平衡梁是一种基于超声波测距原理进行工作的移动找平基准，检测超声主要是利用超声的信息载体作用，每个超声波探头分别测试探头到路面之间的距离，并上传控制盒，控制盒按预定算法处理这些数据，得到各个超声波探头到路面之间的平均距离。在传播过程中，测出超声脉冲从发射到接收经历的时间，如果确定传播介质的声速，就能计算出工作原理从探头到目标之间的距离，测距公式如下：

如图所示：其中L代表探头到地面的距离m；C代表声波在介质中的传播速度m/s；t代表声时s。

（2）SMC-8428长靴超声波平衡梁传感器精选了6个性能品质极高的进口大功率超声波探头同时测距，检测分辨率高，检测范围大，测量精度高。每个超声波探头分别测试探头到路面之间的距离，并上传控制盒，控制盒按预定算法处理这些数在操作工作前先利用超声波测距原理先设定1个基准面：在摊铺机每侧均朝下布置3个超声波传感器总成，每个总成含有6个探头，布置在左右两侧平衡梁，；首先探头发出声脉冲，声脉冲到达地面以后再以声速返回发射器，随后以地面为基准持续不断地测出地面与5个探头之间的距离，最后一步经过选择处理后对这些距离取平均值。5个独立探头同时工作，但是，只有 3 个接近实际检测值的测量值才会采用， 求得平均值，多探头超声波传感器工作示意图如下：

（3）在施工过程中，当摊铺机工作在不平坦的路面上的时候，与机架连接的牵引点也随着上下起伏变化。因此，摊铺机每一侧非接触式平衡梁上3个超声波传感器的平均高度和角度与工作前的设定值之间将会产生偏差。偏差信号经过DSP控制器综合处理以后，该系统通过控制电磁换向阀的油路流向来控制油缸活塞的上升和下降，通过改变高速开关阀的通断时间来控制油缸活塞的运动幅度，实现熨平板对路面波动的自动补偿，消除误差，以确保路面对平整度和厚度的要求。长靴超声波平衡梁及其平均功能，可作用于较长且不规则路面，如路面的坑凹部分将会被补偿，但单个传感器却无法达到这一效果。超声波滑靴组合可剔除较小的不规则值，较大的不规则值将会被 9 个检测值平均掉，这样使得数据更加精准。

3.影响测量精度的原因

超声波测距的精度受环境温度、发射角辐射范围和障碍物表面特性等因素的影响，例如在道路施工中，温度、风力、烟气等因素；其次超声波探头的数量越多，系统的找平精度越高；同时测量精度还与超声波的幅值、反射面的质地、反射与入射超声波之间的夹角有关。

对于受环境温度影响我们可以利用温度补偿和在探头下安装参考杆的方法来解决；对于发射角辐射范围可以通过软件的方法加以解决，在虚假反射波到来之前这段时间内禁止接收中断的发生，就可以避开虚假反射波带来的干扰。

五、结语

综上所述，本文针对传统接触式平衡梁技术的缺陷与不足，详细论述了现阶段应用比较广泛的非接触式平衡梁的工作原理与及系统构成、特点，能够为技术人员的全面提高施工质量，起到参考作用。

超声波传感器例9

中图分类号：TM125 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0258-01

在正常的录井过程中，经常会碰到体积波动范围有点大的情况，反映在录井曲线上就是一些毛刺，这种情况对于准确判断井涌和井漏造成很大的干_，譬如图中VOLpit2曲线反应体积2时不时的发生波动，且波动范围比较大，在录井作业过程中必须消除这种现象，提供一个准确的录井参数。

1 体积传感器的测量原理

超声波体积传感器从换能器发射出一系列超声波脉冲，每一个脉冲由液面发射产生一个回波并被换能器接收，并采用滤波技术区分来自液面的真实回波，及由声电噪声和运动的搅拌器液面产生的虚假回波，脉冲传播到被测物并返回的时间经温度补偿后转换成距离[1]。

西门子probe体积传感器接法：红色接电源正极，黑色或者蓝色线接电源负极，是信号的输出，还有一根是屏蔽线，性能指标 测量范围0.25―5m，精度0.25%，输出信号4-20mA，工作电压0-24V，工作温度40C--+60C，防护等级IP65。

2 毛刺这种现象原因分析及解决措施

对于毛刺这种现象，经过仔细分析，有以下几种原因：

（1）探头被脏物覆盖

传感器探头表面较脏，录井作业人员未进行有效的清洁保养，造成声波测量返回来的高度有较大的波动，此时应该擦洗探头，保证探头面的整洁.

（2）传感器安装不合适

循环罐上提供给提供给体积传感器的孔太小，或者孔和探头对偏，造成超声波传感器探头一部分照射在液面上，一部分照射在罐面上 ，测得的液面高度有波动。

传感器下方有金属遮挡物.譬如，在入口的地方同时安装体积传感器，温度传感器，电导传感器，密度传感器，他们的距离比较近时， 电导传感器下面的金属圈挡住探头，此时应该拉开他们之间的距离，体积传感器也不能安装在靠近罐壁死角的地方，容易造成对反射波的干扰。

（3）超声波传感器参数设置不合理

正式录井前，应该测量好满灌和空罐的高度和对应的体积，设置好传感器的最低高度，最高高度，盲区等。

传感器的所有型号在出厂时都被调试过，测量最大距离时（容器空时）是4mA，最小测量距离时（容器满罐时）是20mA，同时按下传感器上的4mA， 20mA两个键，会出现测量最大距离，然后再按传感器界面上的4mA， 20mA两个按键设定最远距离， 同时按下传感器上的4mA， 20mA两个键两下， 会出现测量最小距离， 再按传感器界面上的4mA， 20mA两个按键调节距离设定最近距离， 同时按下传感器上的4mA， 20mA两个键三下，可以设置传感器的测量盲区， 再按再按传感器界面上的4mA， 20mA两个按键调节距离设定盲区[2]。

（4）超声波传感器信号扰

超声波传感器如果安装在离心机旁边，离心机不停的搅动，就会对超声波体积传感器造成干扰，此时应该远离搅拌机，重新选择位置超声波传感器的安装位置超声波传感器。

通道有信号干扰，应该接好屏蔽线正确接地，消除电场干扰减小分布电容亦即增加线间距离是消除干扰非常有效的方法。因此，在现场设备安装时采用了合理布线，使传感器信号线远离了动力电缆， 将强、弱信号线电缆分开铺设，以便尽量减小线间的分布电容，从而消除电场对信号的干扰。[3]。

（5）钻井液气泡对超声波传感器测量的影响

在某些区块的钻井过程中，如果钻井液中有较多的气泡，这样容易造成超声波测量的不准确，这时候只有建议井队调整钻井液性能。

稳定的气泡产生必需以下条件：分散介质，与分散介质不相溶的气体，表面活性剂，适当的搅拌条件。对钻井液而言，这些条件均是具备的，因此，钻井液起泡现象是常见的，只是起泡程度有大有小而已， 当遇到地层的时候，地层中的各种气体易扩散侵入钻井液中。之后就会产生气泡，处理剂分解产生气泡。处理剂分解的时候会产生气体，进而产生气泡，搅拌时会使空气进入也会产生气泡，可以根据情况，加入消泡剂等材料。

（6） 超声波传感器性能的下降

任何一个传感器都有一个使用期限， 使用较长的时间，探头的灵敏度逐渐会老化，当性能不佳造成测量钻井液液位波动较大时，应该立即更换新的超声波传感器。

3 总结

造成体积波动的原因很多，具体来说也就文中列举的6条因素，在实际工作过程中可依照上述原因，有效的解决曲线毛刺现象，为钻井工程提供一个准确的异常预报。

参考文献

[1]李军 智能型超声波液位传感器及其应用 《中国高薪技术产业》 2009，12，P32

超声波传感器例10

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）03C-0189-02

随着汽车的普及以及汽车价格的平民化，汽车已经成为很多家庭的标配，然而伴随着出行方便的同时，停车问题却变得严峻起来。汽车数量的增多使得停车空间越来越小，在狭小的空间停车常常令有车一族无所适从，即使是经验丰富的司机也难免会在倒车时因为视线盲区等各种原因发生刮蹭。因此，辅助倒车系统成了很多品牌车型必备配置，也是许多车主必选的一项加装设备。

一、倒车防撞预警系统工作原理

倒车防撞预警系统也称为泊车辅助装置，俗称倒车雷达，是汽车在倒车或者泊车时的安全辅助设备，可以通过声音、数字、图片、影像等方式告知驾驶员汽车四周围障碍物的情况，帮助驾驶员解决倒车、泊车时障碍物可能引起的干扰，扫除视线模糊和视野死角的缺陷。

现有的倒车防撞预警系统多采用波型信号探测距离实现。发射一种波型或信号，当该波型或信号遇到障碍物时会反射回来，由此得知是否有障碍物及障碍物与车的距离。超声波是一种能量消耗缓慢、传播距离远的波，它可以在不同天气状况下使用，不易受外界条件如光线、烟雾、电磁等的影响，并且原理简单、易于实现，可靠性好，成本低廉，因而广泛应用于各种倒车雷达中。

系统发出超声波，超声波遇障碍物后反射回来，若超声波的传播速度为v，系统发出超声波和收到超声波的回波的时间间隔为t，则根据公式可计算出障碍物与汽车之间的距离。在空气中传播时，声波的鞑ニ俣然崾艿绞度、温度、气压等因素的影响，其中温度对声波速度的影响最大，若要进行温度补偿，其关系为。一般情况下，倒车防撞预警系统不需要精确到毫米级别，故可不进行温度补偿。

二、现有倒车防撞预警系统的缺陷

目前国内做倒车雷达的厂家很多，但是性能都不是很理想，主要表现在盲区较大和精确度不高。

（一）探测盲区过大。倒车防撞预警系统工作时，是由超声波传感器发出超声波的，它发出超声波时能量并不是均匀分布，垂直于传感器表面中轴线位置的声射线能量最强，中轴线左右两侧等其他方向上的声波能量逐渐减弱。自发射源到照射目地的展开面积大小的参数我们用波束角来表示，它指能量密度达到峰值能量密度一半处的锥形宽度。在这个锥形宽度内的障碍物能够比较有效的探测到，而在这个锥形宽度之外波能量过于分散，无法产生有效的回波，也就无法较准确的探测出障碍物。一般的超声波传感器采用波束角。

为了解决这一问题，倒车雷达都采用了增加传感器数量的方式来实现。传感器数量的增多的确可以减少部分盲区，如图1分别为用2个传感器和用4个传感器的探测范围，白色部分代表盲区。现有倒车雷达多采用4个传感器来探测，但仍然有较大盲区，而一味地增加传感器数量容易造成传感器相互间的干扰，也会增加成本，故通过增加传感器数量的方法并不是解决盲区过大的最佳方法。

（二）探测指向性不强。通过上图可以看出，只要是在超声波探测范围内出现的障碍物都可以被检测到，但这个障碍物具体在哪个位置却检测不出。根据超声波测距原理可知，超声波遇到障碍物后反射回来，我们可以知道障碍物与汽车的距离，但这个测得的距离并不一定是传感器正前方的障碍物的距离，以这个距离为半径，以传感器为圆心的范围内均有可能出现障碍物，故这个距离没有明确的指向性。增大波束角可以减小盲区，但波束角越大指向性越不明确。

三、高精度倒车防撞预警系统的设计

为了解决现有倒车防撞预警系统的缺陷，本设计对现有倒车雷达系统做了一些改进。

（一）系统结构及工作原理。本设计包括以下模块：超声波发射模块；超声波接收模块；用于控制发出、接收及处理超声波数据信号的单片机；用于数码距离显示和障碍物方位显示的显示模块以及用于提醒驾驶员的报警模块，如图2所示。单片机的输出口分别与超声波发射模块、显示模块、报警模块连接，单片机的输入口与超声波接收模块连接。超声波发射模块包括超声波发射传感器和三级放大器，单片机的输出口与三级放大器连接，三级放大器与超声波发射传感器连接。单片机采用C8051F330，内部自带有温度传感器、内置AD、DA和比较器。超声波接收模块为PVDF超声波接收器。显示模块为LCD液晶显示屏。报警模块为语音报警器，当障碍物与汽车距离小于设定的安全距离时，发出报警。

其工作原理为：倒车过程中若遇到障碍物，单片机产生的脉冲经过三级放大器后传递给超声波发射传感器，超声波传感器利用压电特性，间断以频率40 KHz的电压激发压电片，该压电片将电能转换成机械能并发射出去。遇到障碍物后返回，PVDF超声波接收器将所接收到的微弱声波振动信号转化成为电信号，传送到单片机计算出汽车与障碍物的距离并通过显示LCD液晶显示屏显示出来，报警模块根据设定的距离提供不同的语音报警。

（二）采用小波束动态扫描。要解决探测盲区过大和探测指向性不强的问题，达到高精度判断障碍物位置，关键要改进的是超声波传感器的扫描方式。要减小盲区，需要使用大波束角进行扫描；而要指向性明确，却需要小波束角进行扫描，可见波束角的选择在减少盲区和指向性明确这两个目的上不能很好地统一。本系统在设计时为了使波束角的选择既能够兼顾指向性，又不增大盲区，选择小波束角结合动态扫描的方式进行障碍物的探测。

在设计中选择波束角为5°的小角度波束角，目的是为了使探测能有指向性。波束角减小以后传感器探测到的范围大大减小，当探测到障碍物时不但可以知道它与汽车的距离，还可以知道它的方位。若只是用小波束角进行扫描，必定会因扫描范围过小而产生很大的盲区，故本系统设计将小波束角扫描与动态扫描相结合来进行扫描，也就是让超声波传感器在不同的方向上动起来。实现方式是让超声波传感器用步距角为7.5°的步进电动机来驱动，每个周期共驱动20次，这样每个周期传感器的探测角度总共为150°，能够实现数量较多的小波柬角传感器密集阵列，可以极大减小盲区。

其工作情况如下：在每个扫描周期中，超声波传感器在初始位置处完成一个5°的扫描，步进电动机转动7.5°，然后传感器完成第二个5°的扫描，步进电动机再次转动7.5°，如次反复转动20次，超声波传感器一共会在21个不同的方向上进行探测，可以得到21个连续的探测信息，有效探测范围总共为150°。如图3所示。因为探测范围被细分成了21个方位，所以当发现障碍物得知其距离时，结合当前的扫描角度就能够得知障碍物较为精确的方位，提高了探测精度。步进电动机在每次转动时，传感器有两个方向上的探测，故传感器的探测角度为5°×2=10°，这个角度大于步进电动机的转动角度7.5°，所以每次的转动并不会产生未被扫描到的遗漏区域。

（三）系统响应时间。小波束角结合动态扫描的方式很好地解决了以往倒车防撞预警系统盲区大和指向性不明的缺陷，但因为这种扫描方式在每个周期中要扫描21次，总共花费的时间比以往要长一些。为了使系统的响应时间快，本设计同时采用了30°波束角单次扫描与5°小波束角动态扫描两种超声波传感器。汽车尾部的4个超声波传感器，有两个采用30°波束角单次扫描方式来探测，有两个采用5°小波束角动态扫描方式来探测。汽车后视镜可以辅助看到一些倒车情况，故汽车尾部两侧的超声波传感器采用30°波束角单次扫描，汽车尾部中间的超声波传感器采用5°小波束角动态扫描来减小盲^，两种扫描方式相互协调相互补充。除了硬件设计方面，软件编程上也对系统处理时间进行了优化。

总之，本设计采用了传统单次扫描与小波束角动态扫描相结合来完成障碍物探测，提出的小波束角动态扫描有效地减少了盲区，同时能够探测出障碍物的大致方位，极大地增强了探测精确度，能够对倒车防撞起到很好的辅助作用。

【参考文献】

[1]宋伟，潘仲明，孔雅琼，等.小波束角超声测距仪的研制[J].计算机测量与控制，2008（4）

[2]刘海峰.汽车倒车雷达系统全接触[J].汽车电器，2007（12）

[3]肖炎根.基于单片机超声波倒车雷达系统的设计[J].电子元器件应用2008（7）