发布时间 : 星期一 文章毕业论文，基于单片机的超声波检测系统更新完毕开始阅读
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g33=(V?m/N)(2-4)P此参数是衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数，其值越大，接收性能越好，接
Up收灵敏度也越高。
(3) 介电常数ε：
t (2-5)A当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε愈大，电容C也就愈大，即电容器所储存
e=C的电能就愈多。因此，根据不同的应用要求选用不同的介电常数ε。超声波测量比重用的压电晶体频率要求较高，ε应选择小一些，因为ε越小，C越小，电容器充电时间短，频率高。
(4) 机电耦合系数K：表示压电材料的机械能(声能)与电能之间的转换效率。
转换的能量 输入的能量式2-6中，K代表机电耦合系数，即转换能量与总能量之比。
K=（2-6）(5) 机械品质因子θm：
E存储qm=E损失（2-7）其中，压电晶片在谐振时储存的机械能E储存与在一个周期内损失的能量E之比称为机械品质因子θm。压电晶片振动损耗的能量主要是由内摩擦引起的，θm值对分辨力有较大的影响，θm值越大，表示损耗越小，晶片持续振动时间越长，脉冲宽度越大，分辨力越低。反之，θm值越小，表示损耗越大，脉冲宽度越小，分辨力就越高。
(6)频率常数Nt：
Nt=tf0=CL（常数）2（2-8）其中，压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数，用N0来表示。晶片厚度一定，频率常数大的晶片材料的固有频率愈高。
(7) 居里温度Tc：是压电材料的压电效应消失的温度。
超声波探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业上，经常使用一种称为耦合系数
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的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。
随着科技的进步，坚固耐用、有精确感应能力的超声波传感器逐渐被人们所认同，相对其他传感器而言，超声波传感器可以更加简单、灵活，性价比更高。这些新增的特性拓展了一个新的应用领域，完全超越了传统的超声波传感器的应用。为工业领域提供了一个新的、极具创造性的解决方案。超声波传感技术应用领域广泛，在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。在医学方面，超声波传感器主要用于诊断疾病，它已经成为临床医学中不可或缺的诊断方法。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。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。
2.3 超声波测量比重的工作原理
超声波测量液体的比重是利用超声波的声速随液体比重的变化而变化这一物理性质来检测的。超声波换能器接收由振荡电路输出的规则电压方波信号，经过超声波传感器的换能器，引起压电换能器发生机械振动，并经由压电换能器将超声波发射出去。当发射换能器放入被测量的液体中时，由发射换能器发射出的机械振动就能使被测液体发生受迫振动，另一侧的接收换能器接收到被测液体传递过来的能量，从而使得接收压电换能器里面的谐振片产生共振，经过接收电路把接收到的机械信号转变为电压脉冲信号，再由后面的运算放大器放大、比较器比较整形和相应的滤波电路的滤波，最终将产生的规则的信号传送单片机的中断，经单片机处理后显示出被测液体的比重值。图2-2为工作原理框图，给出了各部分的衔接。
超声波发射驱动发射换能器接受换能器接受驱动单片机 图2-2 工作原理框图
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利用超声波换能器测量液体的比重，所依据的基本原理是超声波的传播速度随液体比重的变化而变化。在同种介质中，除去温度的影响外，传播速度主要受比重因素的影响。在S=vt中，由于速度主要与比重有关，当把传播距离也即声程固定之后，比重只与传播时间有关系；当把多组固定比重的液体测量出所对应的传播时间后，可以通过数学的方法来拟合出比重ρ与传播时间t的关系，再把这个关系写入程序中，由此可得到所测量液体的比重。
当超声波沿横轴方向传播时，其波动方程为：
22抖xx2=C抖t2x2(2-9)其中，ξ表示横轴距离，t表示时间，x表示横轴方向。 液体中传播的声速C可表示为：
r?V() V?P其中，c，V，ρ，P分别为液体中的传播声速，摩尔体积，密度和压力。
c-2=-(2-10)多元液体混合液的声速表达式为：
c=?nxici=x1c1+x2c2i=1(2-11)其中，x1、x2表示各自液体摩尔量，c1，c2表示各自的摩尔质量。
由以上论述可知对于混合液体的比重也是有理论依据的，所以也可以得出相应的传播介质的传播速度，这为本课题的实际测量奠定了理论基础。
超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压随液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应地做周期性的变化，形成疏密波，利用超声光栅对不同比重的液体进行测量，然后根据测量结果进行数据拟合，得到的超声波传播速度与液体比重的关系式如下：
y=751.11-824.944x+282.812x2（2-12）其中y为液体比重，x为超声波传播时间。
2.4 超声波测量比重的硬件要求
系统的硬件电路包括发射部分、接收部分、单片机控制部分和温度补偿部分。系统对接收电路的要求主要有以下几个方面：探头工作频率为1MHz～10MHz，常用频率为5MHz以
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下，系统衰减量为0dB～120dB，连续可调，动态范围为30dB以上，最大增益时的噪声为10%以下。另外，低功耗是系统对接收电路的基本要求，因为接收电路是除了显示单元之外的功耗大户。图2-3给出了功能模块框图，其中运算放大电路采用两级放大，比较器部分选用单限比较器，温度传感器作为对实际温度的温度补偿，单片机控制发射和接收的传播时间差。
发射换能器测温电路超声波接收换能器单片机放大器比较电路整形电路发射电路晶振指标计时门
图2-3 功能模块框图
2.4.1 发射部分
发射电路主要由2.00MHz晶振、分频电路、推挽电路、功放电路组成，供电电源有5V、12V两种。晶振发出的2.0MHz的方波信号，通过两个同型号三极管的甲乙类推挽实现功率的放大，因为要驱动探头正常稳定的工作，就要使功率和频率达到一定值。由于要求输出的方波信号稳定可靠，所以要经过很多辅助电路，以保证发射驱动方波脉冲的稳定可靠。
2.4.2 接收部分
接收电路主要包括耦合、放大、比较、整形、检波滤波。具体来讲就是前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检测、施密特整形输出电路。由于接收换能器接收的信号比较微弱(只有几十毫伏)，通过放大电路将其电压信号进行放大，本系统选用LF357进行了两级放大，放大倍数接近400倍，放大后的电压信号经过检波二极管和电容组成的检波的电路后变为较简单的电压信号波形，在经过LMll9型号的比较电路转换成比较规则的方波信号，此信号经过
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