超聲波測距實(shí)驗(yàn)
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>1、 了解超聲波的產(chǎn)生及其在介質(zhì)中的傳播特性
2、 了解超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)及其工作原理
3、 了解超聲波傳感器測距系統(tǒng)的組成及測量電路的基本原理
二、 基本原理
1、 超聲波傳感器工作原理：本實(shí)驗(yàn)采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器（或稱
發(fā)射探頭）和超聲波接收器（或稱接探頭）兩部分組成，結(jié)構(gòu)如圖6.1 所示。探頭都是利用
壓電材料（如石英、壓電陶瓷等）的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)
換成高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超
聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以此作為超聲波的接收器。

圖6.1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
2、 超聲波傳感器測距原理：如圖6.2 所示：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻
的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到
反射的波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間ts，
就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即：S=340ts/2=170 ts。
3、 本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的R/T40 系列傳感器工作過程：從兩個(gè)引腳輸入40KHz 的脈沖信號(hào)，通過其
內(nèi)部的陶瓷片激勵(lì)器和諧振片轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)量，經(jīng)錐形輻射口被工件反射回來，接收端收
到40KHz 的反射信號(hào)，使諧振片產(chǎn)生諧振，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換成一電信號(hào)，用于反應(yīng)被測量的大
小或控制各種電氣設(shè)備。
4、 R/T40 系列傳感器所用測量電路如圖6.2 所示：定時(shí)器每隔固定時(shí)間間隔T (T t ) 0 0 s >> 發(fā)出
一個(gè)脈沖，控制R/T40 傳感器發(fā)射超聲波，超聲波接收器將接收到的脈沖進(jìn)行放大、整形、然后經(jīng)觸發(fā)器得到一定寬度的脈沖信號(hào)，再利用計(jì)數(shù)器即可記錄下脈沖個(gè)數(shù)Ns，來反映發(fā)射
信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間差ts。
三、需用器件與單元
超聲波傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⒊暡òl(fā)射/接收器件、反射擋板、數(shù)顯表、±15V 電源。
四、實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容與步驟
（一） 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝與調(diào)試
1、 將主控箱上的±15V 電源接入超聲波實(shí)驗(yàn)?zāi)K。
2、 將超聲波實(shí)驗(yàn)?zāi)０迮c三源板側(cè)邊靠緊放置，且模板一面與三源板側(cè)邊基準(zhǔn)零點(diǎn)對(duì)齊。
3、 將被測工件反射擋板與三源板側(cè)邊垂直放置，且設(shè)工件起始測量位置在30mm處。
（二） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取
1、 以三源板側(cè)邊為基準(zhǔn)，平行移動(dòng)反射擋板，依次遞增2cm，讀出數(shù)顯表上的脈沖數(shù)Ns，填寫
表6.1。
表6.1 超聲波傳感器顯示值Ns 與距離X 之間的關(guān)系表

根據(jù)表6.1 數(shù)據(jù)：
① 畫出Ns—X 曲線；
② 確定測量的線性范圍；
③ 以端點(diǎn)連線法確定靈敏度S 及線性度δ的大小。
五、思考題
1、 調(diào)節(jié)反射擋板的角度分別為10°、50°，重復(fù)一下上述實(shí)驗(yàn)（只測量一組數(shù)據(jù)即可），體會(huì)
超聲波傳感器是否可用于角度測量？
2、 超聲波傳感器的線性測量范圍為多少？若實(shí)際距離過小或過大，則測量誤差增大還是減小?