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超声波传感器篇1
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).
超声波传感器篇2
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）.
超声波传感器篇3
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.
超声波传感器篇4
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
超声波传感器篇5
文献标识码：B
文章编号：1004―373X(2008)04―156―03
移动机器人要获得自主行为，其最重要的任务之一是获取关于环境的知识。这是用不同的传感器测量并从那些测量中提取有意义的信息而实现的。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在移动机器人中得到实际应用。超声波传感器以其性价比高、硬件实现简单等优点，在移动机器人感知系统中得到了广泛的应用。但是超，声波传感器也存在一定的局限性，主要是因为波束角大、方向性差、测距的不稳定性(在非垂直的反射下)等，因此往往采用多个超声波传感器或采用其他传感器来补偿。为了弥补超声波传感器本身的不足，又能提高其获取环境信息的能力，本文设计由一体式超声波传感器与步进电机组成的探测系统。
1 超声波传感器的探测原理及方法分析
超声波传感器的基本原理是发送(超声)压力波包，并测量该波包发射和回到接收器所占用的时间。
L＝c×t/2
(1)
其中，L为目标距超声波传感器的距离；c为超声波波速(为了简化说明，本文以下讨论的测量距离时不考虑波速受温度的影响)；t为发射到接收的时间间隔。
由于用超声波测量距离并不是一个点测量。超声波传感器具有一定的扩散特性，发射的超声能量主要集中在主波瓣上，沿着主波轴两侧呈波浪型衰减，左右约30°的扩散角。事实上，式(1)计算度越时间的方式是基于超声波成功、垂直的反射名义下进行的。但对于移动机器人很难保证其自身运动姿态的稳定性，采用超声波传感器固定在移动机器人车身的探测方式，当移动机器人偏离平行墙面时，探测系统往往很难得到实际的距离。另外，超声波这种发散特性在应用于测量障碍物的时候，只能提供目标障碍物的距离信息，而不能提供目标的方向和边界信息。这些缺陷都大大限制了超声波传感器的实际应用和推广。
本文在通过理论的分析和不断地试验的基础上，采用四相步进电机带动单个一体式超声波传感器旋转的方式，组成一个动态的感测系统。
2 一体式超声波传感器与步进电机组成的探测系统
2.1 结构设计
实物照片如图1所示，超声波传感器焊在PCB板上，板子通过钢管树起，钢管另一端和步进电机轴相连，步进电机固定在机器人底盘下方。传感器控制信号与输出信号通过信号线和车身上的控制板相连。另外在超声波传感器的探头前加一泡沫材料制成的圆台形套筒，上口直径为22 mm，下口直径为16 mm，高20 mm。这样发射波的波束角以及反射波被接收的角度都大大受限制。为了机器人自我调整姿态，需要确定其自身的转动方向和基准位置。因而自制一片由直射式红外光电传感器和转盘组成的简易光电编码器。2个直射式红外光电传感器分布如图2中2个Ⅰ，Ⅱ所示以180°间隔水平安置在机器人小车车身两侧边的中点连接线上。转盘与转臂连接在同心圆上，如图中外圆所示，1，3刻线间相隔27°；2，1刻线相隔180°，其中1刻线与超声波传感器的中心保持在同一水平线上。Ⅰ单独导通作为基准坐标，Ⅰ，Ⅱ同时导通用来判断旋转方向，Ⅱ单通作为机器人沿墙回归时的导航基准。
通过步进电机带动一体式超声波传感器转动，以传感器中轴垂直于机器人车体的方向作为其自身姿态调整的坐标基准，步进电机采用4相4拍步距角为1.8°，每转1步，超声波传感器检测1次，将测量值通过串口送上位机。
2.2探测系统硬件设计
探测系统硬件主要由超声波发生电路、超声波接收电路，步进电机调速模块等组成。如图3所示，系统的核心为单片机89S51，主要完成信号的发射和接收、控制步进电机、并传送数据给机器人上位机进行处理。
超声波的发射电路采用单片机ATM89$51的P11口输出发射脉冲，由74HC04作为驱动来连接超声波传感器，74HC04是为了增强其输出电流的能力，提高超声波传感器的发射距离。
超声波接收处理电路采用集成电路CX20106。CX20106为红外接收专用集成电路，在此利用CX20106作为超声波传感器接收信号的放大检波装置，亦取得良好的效果。CX20106中前置放大器接收到超声波接收探头的反射信号后，对信号进行放大，电压增益约80 dB。然后将信号送到限幅放大器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，由检波器滤掉载频检出指令信号，再经过整形后，由7脚输出低电平。7脚输出的脉冲下降沿通过单片机INT0口输入。如图4所示。
一体式超声波传感器发射电路与接收电路都用相同的传感器引脚输入／输出，如不将输入／输出隔离开，接收电路与发射电路会相互影响，采用CMOS双向模拟开关CD4066BE实现发射与接收的隔离。步进电机控制模块，采用环形脉冲分配器1297+双H桥功率集成电路L298的控制方式。单片机的P1.6，P1.7，P2.3分别接L297的CW，clock，enable控制端，控制电机的正反转、时钟信号、启停。
2.3探测系统软件设计
探测系统的软件主要由主程序模块、中断服务程序模块、传感器发射接收模块组成。这里主要对探测系统主程序模块加以说明。主程序流程图如图5所示。
超声波传感器和步进电机测控模块分属不同的单片机控制，因此感测系统与移动机器人的上位机必须依靠单片机间的I／O口线及串行异步通讯实现。标志位T是用来切换动作，T=O，OFF=0同时满足时，是超声波传感器寻常的探测过程；T=1，OFF=0时是每一个循环测量前调整方位角用；OFF=1是等待下一次动作。计算回波的时间采用定时器TO，因此距离值d=0.334×(THO×256+TLO)／2。每测完1次，给步进电机1个触发脉冲。然后判断下一个动作，是做传感器探测还是机器人自身方位角调整，这样又进入一个新的循环。
3 探测系统在移动机器人上的实验与应用
3.1 寻找离墙最近点
本文在寻找离墙最近点的设计思想是基于超声波测距。选择时间度越式的测距方法，通过对接收回波阈值的设定和探头前加一具有吸音作用的套筒，来限制超声波传感器接收范围。实验所测在距离75 cm时其发射波束角在土20。左右，能接收反射波的有效角度大约在±40°范围内。
超声波传感器的近似圆锥形的波束，决定了其每一次所测距离是最近点的反射距离。如图3所示，当波束角度 即使偏离到虚线所示，其实际所得距离仍旧是沿波束中心线所测的值。按理论上说在发射波束角度内所测的距离应该是相同的，但由于超声波传感器起震时间、以及接收阈值的设置，包括墙面的反射情况等都会对距离的测量造成一定的影响。由实验测得，当在一定的角度(约±20°)内，其测量的距离值变化不明显，其相邻值比较接近(不超过2 mm)。当偏角继续增大时，相邻测量值变化也明显增大。因而一种方法就是利用这2个临界点，来找寻其波束与墙垂直的角度(即与墙距离最近点)，步进电机带动超声波旋转找寻这2个临界点。当连续检测到两相邻的值低于2 mm时，认为已进入稳定区，则前后出现变化的点设为临界点，在这临界点内的所有点都记下来，然后求取中点，中点位置即是墙面与超声波传感器的最近点。如图6所示为其中一组所测数据，在72°～108°内，是距离测量的稳定区域，而在这之外，所测距离的相邻偏差超过8 mm，而且随着角度的旋向两边时将进一步拉大。在50cm与200cm内改变一体式超声波传感器与墙面距离进行实验，其结果与墙面垂直角度所测误差限制在2个步距角内。
3.2探测系统应用于机器人沿墙导航
自主式移动机器人是在运动过程中探测当前环境的信息。每次探测的距离信息都以当前机器人的运动姿态为前提来测量。而在沿墙直线行走过程中，机器人是通过测距和自身姿态的共同感知保证运行轨迹的准确性。超声波测距已被广泛运用，在试验超声波探测角度与测距的关系后，则可以根据计算最近点的方法用超声波传感器来测量车身的方位角(确定自身姿态)。所测最近点是机器人实际与墙面的距离，通过简易编码器上的直射红外传感器l来确定机器人的基准坐标，根据步进电机每一步走过时存储的信息来计算最近点。在基准坐标和最近点间，用步进电机所走过的角度确定机器人与墙面的偏角，然后偏角传达给车轮驱动控制系统以调整方位角。
3.3搜寻障碍物
超声波传感器篇6
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。
超声波传感器篇7
局部放电最明显的特征就是产生电脉冲，电脉冲中包含很多可以研究分析的信息，如信号能量幅值的衰减，波形的畸变和延时等。电气定位法的原理是根据放电脉冲在绝缘介质中传播时的参数特性，建立相关的传递函数来确定放电源的空间位置。
（1）行波法。
行波法的主要原理是利用波的时延特性来计算放点源与被测点的距离。局部放电在放电时会产生波形，波形传播开始的瞬间会出现容性分量，需要经过一段时间的时延后，行波分量才到达测量端。根据行波传播的速度，通过测量行波延迟的时间，就可以计算出所求距离，估计出放电源所在位置。
（2）极性法。
极性法的原理是通过比较变压器绕组的不同端子上局部放电信号的极性，如对单相变压器，理论上希望在高、低压绕组的四个端子测到不同极性的局部放电信号，根据不同的极性信号来确定放电位置。但是极性法仅能识别到局部放电源可能存在于变压器绝缘的某个区域。要精确地测出放电的位置，必须利用其他方法。
（3）起始电压法。
假设变压器绕组上的电压分布均匀，令绕组长度为L，绕组两端电位各为UH，UL。
若放电点N离高压端H的距离为x，放电点电压为UN，则有：
（UH-UN）/（UN-UL）=x/（1-x）（1.1）
当UN达到起始放电电压UI时，则有：
（UH-UI）/（UI-UL）=x/（1-x）（1.2）
若已知L，则只要改变绕组两端的电压，测出UH1，UH2，UN1，UN2，并将其代入式1.1和1.2即可求出放电位置x。
2 电气定位法存在的问题
（1）由于变压器有很复杂的内部结构，因此对于不同的放电点，在局部放电时产生的波在运行过程中可能会发生振荡，但是测量放电信号不能反映变压器内部真实状况，只能在变压器的测量端点进行，所以误差相对较大。
（2）部分电气定位法强烈地依赖于变压器内电气结构。
（3）只能对单局部放电源定位，对于多局部放电源定位还有待研究。
3 超声波定位法
超声波定位基本方法是当变压器内绝缘发生局部放电时，较大的能量释放将激发产生超声波，并以球面声波的形式经固、液绝缘和金属介质向四周传播。当放电能量较大或放电点距箱壁较近时，安装在箱壁上的超声波传感器可接收到超声波信号，通常需在箱壁上布置多个超声波传感器（4个或4个以上），定位时选择某传感器为基准传感器，以此为基准触发其余传感器接收局部放电产生的超声波信号。两个传感器接收声波的时间差，可用离放电点最近的传感器的声信号作为基准信号来触发其余传感器的接收测量，并获取同一局部放电超声信号传播到其它传感器时对应的相对时间τ。声波传播时间T乘以声波速度即为声波的传播距离。然后利用简单的几何关系，便可得到由若干方程组成的非线性方程组：
-=V0τn，n=1，2，…N
上式中（x，y，z）局部放电源坐标，（xn，yn，zn）是第n个超声波传感器坐标，（x0，y0，z0）是基准超声波传感器坐标，τn是第n个超声波传感器相对基准传感器的延时，V0是超声波在变压器油中的等值波速，N为超声波传感器个数。
4 超高频-超声波定位法
超高频-超声波联合定位法是澳大利亚的西门子研究机构使用局部放电产生的超声波和电磁波联合检测技术监测变压器中的局部放电活动。该系统运行的关键依据是超声波和电磁波在变压器介质中的传播速度是不一致的，因而可以测量两种波到达传感器的时间差，进而确定局部放电的位置。定位系统依赖一个可同时检测射频和超声波的复合传感器探头。复合探头包括超声波传感器和射频传感器两部分，其中射频传感器由包围超声波传感器的环形铜环组成，铜环与地间形成一个电容，这种容性天线及与其连接的引线电感形成一个谐振电路，感应局部放电引起的电场扰动；超声波传感器结果较复杂，传感器周围填满环氧树脂，后面充满比例为1：3的环氧树脂和钨粉的混合物，具有很低的横向耦合系数，可有效抵制接收变压器箱壁变向传播产生的横波。
5 阵列传感器定位法
阵列传感器定位法是超声波定位的改进方法，依据超声波到达超声传感器的波程差和相位差来确定放点信号的方位，是一种基于传感器阵列采集超声信号的局部放电定位方法。该方法用多个超声波传感器构成阵列代替传统的多个超声波探头，通过传感器阵列对局部放电信号进行多点并行采样，以检测传感器接收到的信号为时间基准，依次计算出平面相控阵传感器接收到的超声波信号的传输时延以及相差，再根据相控测向的方位角得出放电点的空间几何位置，实现变压器内多放电源的定位。
与传统的超声定位法相比，阵列定位的信噪比高，而且可以解决多径传输问题，传统的超声定位将传感器安装在变压器内部不同位置，导致放电信号通过多个不同路径到达探头，探头接收信号同一性差，导致定位误差大。除此之外，阵元的数量优势可以转化为性能优势，当个别阵元失效使接收信号存在误差时，并不影响整体定位结果，因此，阵列定位法检测可靠性更高。
综上所述，表1总结了目前变压器局部放电源定位的方法及特点。
超声波传感器篇8
1 引言
近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器（单片机）的出现，使超声波测距传感器的功能得到了提升。有了微处理器不仅使测距的精度大为提高，而且为超声波测距技术的应用开辟更大的空间。
利用超声波制作汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况，防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。
2 超声波测距的工作原理与方式
2.1 超声波测距的工作原理
人能听到的声音频率为：20Hz~20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，其频率在 20kHz以上，波长短，绕射小、能定向传播。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。
超声波测距的原理就是利用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 。
2.2 超声波测距的工作方式
利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：
（1）相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；
（2）声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响；
（3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。
本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。
3 系统硬件设计
3.1 系统硬件总体框图
构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、键盘显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。
根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测距传感器 TCT40－16T/R（T 表示发射传感器，R表示接收传感器），最大探测距离为 6m，发射扩散角为 60度。同时，采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图1所示。
图1 系统总体框图
3.2 超声波发射部分
超声波发射电路原理图如图2所示：由NE555 时基电路及元件构成40kHZ 多谐振荡器电路，调节电阻器RP 阻值，可以改变振荡频率，最终达到40KHZ。同时用单片机控制NE555 第3 脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压9V，工作电流40~50mA。
用555定时器接成的多谐振荡器来驱动超声波发射传感器。555定时器外接电阻和电容构成的多谐振荡电路。振荡频率 f主要取决于电阻 R1（包括电位器的阻值）、R2和电容 C1，当 R1、R2 和 C1固定时，改变电位器的阻值就可改变振荡频率，振荡幅度由电源电压来决定。
图2 超声波发射电路原理图
但是输出的矩形波是不对称的，占空比为：
这里采用独立的 9V电源对三极管驱动电路供电，以增强超声波发射的能量和测量精度。
3.3 超声波接收部分
接收电路电路的功能是将连续变化的信号放大，滤掉高频干扰和噪声，把连续变化的信号转变为离散信号，量化后进入信号采集系统。
超声波接收电路原理图如下图3所示，当R40-16感应到超声波时，信号经过VT2，VT1两级放大后再经整形滤波，最后有VT3放大输出，若有收到40KHZ超声波回波，输出低电平到单片机，若无接收40KHZ超声波的回波，输出高电平到单片机。
图3 超声波接收电路原理图
3.4 单片机控制部分
40KHZ的发射频率由单片机的P3.2提供给软件进行处理，回波经过AT89C51对接收到的信息进行处理后，被测的距离在LED上显示，显示的数据由P0口和P2口分别控制数码管的段和位实现LED的显示，显示部分采用动态扫描显示。两位LED可表示4.9～0.1 m的距离，满足显示精度；若该距离小于预置的汽车低速安全刹车范围(如：1m或0.5m)，报警电路发出适当的警告提示音，由P2.4口的蜂鸣器输出控制报警电路的工作。
4 系统软件设计
汽车倒车防撞系统根据超声测距原理用AT89C51单片机开发设计。整个软件采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。
根据系统的要求，系统软件应具有以下功能：
（1）控制超声波发射、接收传感器的工作状态。传感器的工作状态因行驶方向的不同而不同，而且，探测距离时发射传感器还要依次轮流工作，这些功能需靠软件程序来实现。
（2）根据汽车的行驶速度计算出倒车避撞的安全距离和报警距离。安全距离就是汽车自由停下所需的距离，这时需要的距离必然小于根据车速确定的安全距离。比安全距离稍远些的是报警距离，设计的报警距离比安全距离长出 1 米。通过报警来减少不必要的停车。
（3）测出超声波信号的往返时间，来计算出最近的障碍物与平台车的距离。超声波从发射出去碰到障碍物返回接收传感器的时间，需要通过软件定时器来记录。根据这个时间才能计算出障碍物的距离。
系统主程序流程图如右图4所示：
图4 系统主程序流程图
软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块，在主程序中采用键控循环的方式，当按下控制键后，在一定周期内，依次执行各个模块，调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量的结果进行分析处理，根据处理结果决定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序。当测得距离小于预置距离时，声音报警程序被调用。
主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0．1 ms(这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。
由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每计一个数就是1 s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数（即超声波来回所用的时间）按式（3）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为其中，To为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0．5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
5 系统的调试与优化
超声波测距仪的制作和调试都比较简单，安装时探头时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
系统调试完后对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
5.1 发射器探头对接收器探头的影响
超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。
5.2 温度的补偿
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
表1 声速与温度关系表
所以，在超声波的两个探头旁边需要放置温度传感器，测出环境温度T，由单片机控制器进行软件修正。
6 结束语
虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用AT89C51单片机可以简化设计，便于操作和直观读数。该系统经实际测试证明，可以满足大多数场合的测距要求。
参考文献：
[1]沈进棋.移动机器人多路超声波数据采集系统的研究与实现[J].电子技术,2003,(6).
[2]马义德.汽车防撞系统的研究[J].交通管理,2004,(7).
[3]杨自栋.简易超声波测距仪的软硬件设计[J].农业装备与车辆工程,2005,(4).
超声波传感器篇9
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
超声波传感器篇10
【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】
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[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）
超声波传感器篇11
当今社会测距是很普遍也很重要的问题，许多场合下需要准确、迅速、实时的测距。例如盲人在行走的过程中，需要一个装置来检测前方有无障碍物，在距离障碍物距离过近的时候必须可以报警；又如汽车倒车的时候也需要检测车尾与车库的距离，在危险距离的时候可以报警，使车主可以及时刹车，避免发生事故；再如一些的门口也需要测距的装置，当有人靠近的时候，会发出警报，使该区域的安全性得到保障。目前，测距的方法很多，如红外检测具有造价低、安全性能好、制作简单等优点；缺点是检测精度低、实用性低。由于超声测距是一种非接触式检测，其抗干扰能力较强，如光源、气候对超声的干扰都比较小，相比于其他的技术更精确，更安全。同时，超声测距具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。基于这一现状，本设计选用超声波来检测距离。
1 系统的整体设计
针对上述问题，本出如下的设计：先由超声波传感器向正前方发射超声波，与此同时开始计时，超声波沿着前进的方向传播，由于超声波能感应到障碍物，因此传播过程中碰到障碍物就会立即朝反方向回传，这样超声波接收器就可以接收到因障碍物而回传的超声波，同时，计时停止。超声波在空气中的传播速度v，设传播时间为t，那么单程传播的为t/2，由距离（s）=速度（v）时间（t）/2，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s）。同时一方面将距离（s）由显示屏显示出来，让使用者能对前方有无障碍物一目了然，并且还能掌握障碍物与其的具体距离；另一方面，设置一个距离最小值，也成阈值，当障碍物的距离小于这个阈值的时候，单片机会给报警器发出报警信号，使报警器报警，让使用者能够迅速准确的做出应对措施。超声波测距原理如图1所示。
2 系统的硬件设计
2.1 硬件器件的x型
本设计的传感器选取的是非接触式的HC-SR04超声波测距模块，HC-SR04超声波测距模块使用成本低、抗干扰能力强并且准确性能好。单片机选取ARM系列最新、最先进构架的Cortex-M3内核的STM32，STM32不仅性能优越，而且价格便宜，所以本设计选取它作为主处理器。由于本设计的显示屏只需要显示距离信号，所以选取易于控制、成本低的1602显示屏。
2.2 硬件设计
硬件的组成可以分为两个部分：第一部分由超声波传感器以及STM32处理器组成，为检测部分，具体作用为：首先由STM32控制超声波发射器发射超声波，与此同时STM32控制定时器开始计时，由于超声波是沿着直线传播，当在前方遇见障碍物时，超声波会立即反射回来，当超声波传感器接收到超声波的时候STM32控制计时结束；第二部分由1602显示屏、报警电路组成，STM32检测计算出来的距离会由1602显示屏显示出来，当距离小于预先给STM32设定的阈值时，STM32会立即给报警电路发出报警信号，使蜂鸣器报警。报警部分由蜂鸣器和报警电路组成，报警电路如图3所示。
3 系统的软件设计
软件的设计主要是对STM32的编程，首先初始化串口和定时器，并且预先设置好阈值。接着给连接超声波传感器的IO口发出指令，开始发射超声波，并且由STM32控制定时器开始计数；接着实时监测超声波接收器有无信号的读取，若有，则说明前方有障碍物，定时器停止计数。取定时器的计数差值，由定时器计数的差值可以计算出共同的时间，而单向路程所需的时间为共同时间的一半，就可以计算出障碍物与超声波传感器的距离。同时还要将这个距离与预先设置好的阈值进行比较，若距离值小于阈值，则STM32会给报警电路发出报警信号，达到报警效果。
4 实验结果分析
随机选取不同的距离、不同材质的障碍物进行检测十次，每当达到检测范围的时候，显示屏每次都能准确的显示出障碍物的距离，并且当过度靠近障碍物的时候，蜂鸣器每次都会发出报警。结果表明本文设计的超声波测距系统能够准确的实现测距和报警的目的，满足当前市场的要求，同时制作简易，具有很好的发展和使用前景。
参考文献：
超声波传感器篇12
随着微电子技术、分布式信息处理技术、低功耗技术和无线通信等技术的飞速发展,设计低功耗多功能的无线传感器节点成为可能。传感器节点作为无线传感器网络的基本单元,其设计的优劣直接影响到整个网络的性能。本文提出了一种利用超声波测距的改进型无锚定位算法,并针对该算法,设计了一款以c8051f020和cc2430为核心器件的无线传感器节点硬件平台。
2 利用超声波测距的改进型toa无锚定位算法
现有基于距离的定位算法主要有toa、tdoa、aoa和rssi等。toa算法精度较高,但其要求整个网络的节点间保持精确的时间同步,对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。并且toa需要相当数量的锚节点来辅助未知节点进行定位。为解决这两个问题,本文借鉴超声波测距和aoa定位的思想,提出了一种利用超声波测距结合来波方向进行定位的无锚定位算法。算法利用超声波自发自收的方式解决了传统toa需要收发节点间时间同步的问题,用测得的距离结合来波方向进行定位,可以确定全网节点的相对位置关系,若需定出绝对经纬度坐标,仅需加入少量锚节点即可。
超声波传播距离有限,在空气中一般只能传播十几米到几十米,在监测区域范围较大时,节点只能与距自己较近的邻居节点测距。因此,考虑采用分簇的方式,各簇首先在自己簇内建立坐标系,对簇内节点进行定位,建立簇内节点的相对位置关系。之后,若需要在整个网络建立统一的坐标系,可利用两个簇共有的边界节点来协调相互的位置关系,完成对整个网络的定位。另外,由于超声波传播方向性较强,每个节点将配置多组超声波探头进行测距和来波方位测量,使得节点能够在360度范围内进行测距。
节点随机部署于被监测区域后,经分簇算法(例如leach)选出簇头,簇头用射频信号向周围节点发送数据包宣布自己为簇头。其他节点持续侦听,在其通信范围内选择信号强度最强的一个或两个簇头加入该簇。可以收到两个簇头广播的普通节点称为边界节点。边界节点在定位过程中将分别存储自己在两个簇中的坐标信息,它们将在整个网络统一坐标系时发挥重要的作用。
?簇建立阶段完成后,簇头a通过测距在簇内挑选一个距其较远的节点b(太近的节点容易引起较大的定位误差),以a为坐标系原点,ab连线为坐标系的y轴正方向,y轴顺时针90度方向为x轴正方向建立坐标系。之后,簇头通过射频信号通知簇内节点坐标系已经建立,簇内各节点即可以a、b为锚节点,通过测量与a、b的距离进行定位。假设a(0,0),b(0,m),需要定位的节点c(x,y)到a、b距离分别为a、b。c点坐标可通过下面的方程组解出:
其中a、b和m通过超声波测距得到。可解出关于x、y的两组解。c在测量与a的距离过程中,a通过射频信号告知c是在与自己的哪个超声波探头通信,从而c点得知自己位于哪个象限。如下图所示,c与a节点的编号为2的超声波探头通信,可以得知c位于a、b确定坐标系的第一象限,即x、y为正。?
基于超声波测距的簇内节点定位
3 无线传感器信息提取算法实现
3.1 传感器模块
传感器种类很多,根据所监测物理量的不同,可分为温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。目前市场上有很多不同种类、参数各异的传感器。如美国crossbow公司基于mica节点开发的一系列传感器板,采用的传感器有光敏电阻 clairex cl94l、温敏电阻ert j1vr103j、加速度传感器adxl202、磁传感器honeywell hmc1002等。在设计传感器模块时,应该根据应用要求选择参数和性能合适的传感器,并设计相应的驱动电路及信号处理电路。
3.2 无线通信模块及其与处理器模块的接口
本平台的无线通信模块核心为chipcon公司生产的cc2430无线射频芯片。cc2430是一款专门为2.4ghz ieee802.15.4/zigbee所设计的soc,具有低能耗、体积小、输出功率和收发频率可编程的优点。其最大收发速率为250kbps(2mchip/s)。cc2430其他特性还包括:硬件支持的csma/ca功能;较宽的电压支持范围(2.0v~3.6v);数字化的rssi/lqi;支持强大的dma功能;电池监测和温度感测功能;较少的电路以及强大灵活的开发工具。该芯片可用于家庭/楼宇自动化、工业控制以及低功耗无线传感器网络等应用场合。cc2430芯片采用0.18umcmos工艺生产,工作时电流损耗约为27ma;在掉电模式下仅有0.5ua的电流损耗,外部中断或rtc能唤醒系统;在待机模式下电流损耗仅为0.3ua,外部中断能唤醒系统。cc2430的休眠模式和在超短时间内转换到工作模式的特性,特别适合于那些要求电池寿命非常长的应用。
3.3 超声波测距过程
超声波测距过程如下:假设节点?a?需要测距。在发射端,处理器c8051f020控制节点?a?的8个发射探头以轮询的方式向8个方向发射超声波,若节点?b某接收探头收到该轮询超声波,则延迟一个预定时间(用于抵消处理时延)用于接收探头同方向的发射探头回射超声波,并通过无线信号告知节点a?自己的网内唯一id和接收到轮询超声波的接收探头的方向。?a通过计算得知到节点b?的距离和与自己的方位关系。在接收端,c8051f020通过p3.0、p3.1和p3.2控制8选1器件74hc4051,轮流检查接收探头中哪个收到了超声波信号。例如,探头1收到信号,在p3.0~p3.2=000时,该信号将经由8选1、可变增益放大器后进入c8051f020的比较器与预设的门限进行比较,若信号强度大于门限,则判定探头1收到超声波信号。若p3.0~p3.2从000、001变化到111仍没有检测到有信号强度大于比较器的预定门限,此时有两种操作,一种是直接判定该节点周围没有其他邻居节点,即该节点为孤点;另一种是通过降低比较器门限或增大可变增益放大器放大倍数的方法重新进行检测,以探测更远距离上的节点。需要说明的是,处理器c8051f020控制p3.0~p3.2口进行轮询检测的速度应足够快,至少要为发射端轮询速度的8倍(未收到信号直接判定孤点情况下),以便在超声波信号存在周期内能够将所有接收探头检查一遍。在未收到信号时通过降低比较器门限或增大可变增益放大器放大倍数的方法重新进行检测的情况下,p3.0~p3.2轮询速度应大于发射端轮询速度的16倍,从而在超声波信号存在周期内将所有接收探头检查两遍以上。
4 结 论
传感器节点是构成无线传感器网络的基本单元,因此,其设计对于整个网络的性能至关重要。本文首先提出了一种利用超声波测距结合来波方向的改进型toa无锚定位算法,该算法克服了传统toa需要全网节点精确时间同步和相当数量锚节点的问题。
参考文献:
[1]孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络[m].北京:清华大学出版社,2005.
超声波传感器篇13
摘要本文设计了一个以单片机为主控制器、蜂鸣器作为报警模块、温度传感器为测距补偿模块的超声波测距系统。单片机通过对超声波发出和返回的时间，并考量温度对超声波速度的影响，计算并显示障碍物距系统的距离，当小于预设安全阈值时发出近距离报警提示。
关键词单片机；超声波测距；温度补偿；报警
超声波测距应用广泛，如用于车辆中，可以一定程度的避免新手对车距把握不准确的问题，和倒车中减少车辆的刮擦事故，倒车过程中存在视觉盲区导致驾驶员无法观察到盲区的路面状况，且与车辆后方障碍物的距离无法准确判断，仅依照经验判断距离不能避免事故的发生。基于此，鉴于超声波指向性好，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常被用于距离的测量。超声波是一种频率在20KHz以上的声波，作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性：反射、折射、干涉、衍射和散射，与物理联系紧密，应用灵活。利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。司机在需要时可启动该装置，单片机控制分散在车后的超声波发射器发射超声波，当遇到障碍物后会产生反射回的超声波，被超声波探测器吸收，通过单片机计算后，在数码管上显示出车与障碍物的距离，当距离小于安全距离时，控制蜂鸣器发出报警，从而减少刮擦、碰撞事故的发生。
由于激光测距方式适应恶劣天气的能力较差且容易受到雨、雪、雾等环境因素的影响，而本设计中的装置要求能适应通常天气状况，同时为了实用，尽可能降低成本，因此选择超声波测距方式。单片机控制超声波发射器发射出超声波，同时计时器启动计时，超声波在空气中传播，当遇到障碍物发生反射，反射回波被超声波接收器接收到时，令计时器停止计时，所计时间为t，己知超声波在空气中的传播速度为340m/s，由式：s=340xt/2，可测得系统与障碍物距离，单位为m。超声波因其在不同温度下传播速度有差别，考虑温度变化对超声波传播速度产生的的影响（表1），需要在测距时对超声波传播速度进行修正，从而减小温度对测量带来的误差。超声波在空气中传播速度与温度的关系式：V=331.4+0.607T，其中，为温度，单位为℃，V为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s。
为提高系统在测量时的精度，采用单总线数字温度传感器DS18820，根据温度值范围选取表1中合适的声速值进行测距计算，但由于温度参量是模拟变化的，并且温度值常常有非整数的情况，因此，求超声波的传播速度还是需要进行温度补偿计算，才能得到一个相对精确的距离值。修正后的测量距离：s=（331.4+0.607T）xt/2，单位为m。由于DS18820具有体积小、使用方便、精度高等特点，将它作为修正声速的温度补偿传感器。超声波测距模块采用HC-SR04超声波模块，该模块可提供2cm～400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm，对于一般的车辆倒车与交通拥堵时车距的测量，此精度是满足需求的。单片机为Trig引脚提供10μs以上的脉冲触发信号，超声波传感器内部将发出8个40KHz周期电平，同时自动检测回波，一旦检测到有回波信号则输出Echo信号，Echo信号脉冲宽度与所测距离成正比。利用单片机定时器计得发射信号到回波信号的时间，可计算出距离s值。为了防止超声波传感器自身的发射信号和回响信号互相影响，测量周期至少60ms以上。测距时，被测物体面积不少于0.5O且平面尽量要求平整，这样测量结果将更精确，这是由于传感器外形上发射信号端和接收回响信号端距离较近，且测量夹角为15°，这样对于被测物体面积将有要求，若面积过小，则测量的灵敏度将下降，即需要缩短与被测物间的距离，并且被测物表面若不是平面，比如转弯处或有一定圆度/角度处，则会影响接收器的接收，可安放多个超声波传感器于特定位置，通过算法取其最优值，提高测量准确度。排除冬季车库的室内外温度差对声速的影响，一般情况下在温度起伏不大的情况，可以考虑略过重复读温度值的这一流程，系统可以在此进行进一步的改进，以提高系统测距反应时间。
