序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇超聲波傳感器范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。

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[關鍵詞]超聲波 傳感器 疾病診斷 測距系統 液位測量

一、超聲波傳感器概述

1.超聲波

聲波是物體機械振動狀態的傳播形式。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的聲波,其每秒的振動次數很高,超出了人耳聽覺的上限,人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現象,并且在傳播過程中有衰減。超聲波在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規律,與可聽聲波的規律并沒有本質上的區別。與可聽聲波比較,超聲波具有許多奇異特性:傳播特性──超聲波的衍射本領很差,它在均勻介質中能夠定向直線傳播,超聲波的波長越短,這一特性就越顯著。功率特性──當聲音在空氣中傳播時,推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。在相同強度下,聲波的頻率越高,它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高,所以超聲波與一般聲波相比,它的功率是非常大的。空化作用──當超聲波在液體中傳播時,由于液體微粒的劇烈振動,會在液體內部產生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合,會使液體微粒之間發生猛烈的撞擊作用,從而產生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用,會使液體的溫度驟然升高,從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發生乳化,并且加速溶質的溶解,加速化學反應。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應稱為超聲波的空化作用。

超聲波的特點:(1)超聲波在傳播時,方向性強,能量易于集中;(2)超聲波能在各種不同媒質中傳播,且可傳播足夠遠的距離;(3)超聲波與傳聲媒質的相互作用適中,易于攜帶有關傳聲媒質狀態的信息(診斷或對傳聲媒質產生效應)。

2.超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為檢測手段,必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習慣上稱為超聲換能器,或者超聲探頭。

超聲波探頭主要由壓電晶片組成,既可以發射超聲波,也可以接收超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器,它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉變成電能,所以它可以分成發送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發送,也能作接收。 超聲波傳感器由發送傳感器(或稱波發送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量并向空中幅射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產生機械振動,將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對發送的超進行檢測。控制部分主要對發送器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。

二、超聲波傳感器的應用

1.超聲波距離傳感器技術的應用

超聲波傳感器包括三個部分:超聲換能器、處理單元和輸出級。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵,其受激后以脈沖形式發出超聲波,接著超聲換能器轉入接受狀態,處理單元對接收到的超聲波脈沖進行分析,判斷收到的信號是不是所發出的超聲波的回聲。如果是,就測量超聲波的行程時間,根據測量的時間換算為行程,除以2,即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對準被測物變化方向發射超聲波,就可測量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發送器和接收器,但一個超聲波傳感器也可具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化,即在發射超聲波的時候,將電能轉換,發射超聲波;而在收到回波的時候,則將超聲振動轉換成電信號。

2.超聲波傳感器在醫學上的應用

超聲波在醫學上的應用主要是診斷疾病,它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優點是:對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。

3.超聲波傳感器在測量液位的應用

超聲波測量液位的基本原理是:由超聲探頭發出的超聲脈沖信號,在氣體中傳播,遇到空氣與液體的界面后被反射,接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間,即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優點:(1)無任何機械傳動部件,也不接觸被測液體,屬于非接觸式測量,不怕電磁干擾,不怕酸堿等強腐蝕性液體等,因此性能穩定、可靠性高、壽命長;(2)其響應時間短可以方便的實現無滯后的實時測量。

4.超聲波傳感器在測距系統中的應用

超聲測距大致有以下方法:①取輸出脈沖的平均值電壓,該電壓 (其幅值基本固定)與距離成正比,測量電壓即可測得距離;②測量輸出脈沖的寬度,即發射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t,故被測距離為 S=1/2vt。如果測距精度要求很高,則應通過溫度補償的方法加以校正。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。

三、小結

文章主要從超聲波與可聽聲波相比所具有的特性出發,討論了超聲波傳感器的原理與特點,并由此總結了超聲波傳感器在生產生活各個方面的廣泛應用。但是,超聲波傳感器也存在自身的不足,比如反射問題,噪聲問題的等等。因此對超聲波傳感器的更深一步的研究與學習,仍具有很大的價值。

參考文獻:

[1]單片機原理及其接口技術.清華大學出版社.

[2]栗桂鳳,周東輝,王光昕.基于超聲波傳感器的機器人環境探測系統.2005,(04).

[3]童敏明,唐守鋒.檢測與轉換技術.中國礦業大學出版社.

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關鍵詞：智能小車；避障；超聲波傳感器

1 概述

機器人從最初的示范模仿機器人，到現在的具有感知能力的智能機器人，在技術上有了很大的進步[1-2]。隨著機器人科學的發展，機器人已經應用到生活、娛樂、軍事、醫學等各個方面。其中智能避障小車就是應用于生活、娛樂軍事等領域的產品。智能避障小車采用兩輪或四輪驅動，行動靈活，操作方便，其避障系統能夠在行進中對小車的前進方向進行調節，避免發生碰撞或摩擦[3]。目前智能小車在實現避障功能時，往往在前方安裝兩個及以上的超聲波傳感器，由于超聲波以聲波的形式傳播，存在波束角，這會引起傳感器之間的干擾，而且安裝多個傳感器也會占用多個串口資源。故設計出了一種在前端使用一個傳感器的情況下任然能夠精確避障的算法。

2 超聲波測距原理

方法設計中使用HC-SR04超聲波測距傳感器，其使用方法簡單，模塊性能穩定，測度距離精確，普遍用于智能小車的避障系統中。超聲波測距有相位探測法、渡越時間探測法和聲波幅值探測法三種方法[4]。

渡越時間探測法，指的是超聲波發生器往某個方向發射超聲波，計時開始于發射的時間點，此后超聲波沿直線傳播，當超聲波撞擊到物體時就被反射回來，當超聲波接收器接收到返回來的回波時計時停止。超傳感器與物體之間的距離d可以由公式（2.1）得出，其中c為空氣中超聲波沿直線傳播的速度，t為傳感器測量的時間[5-6]。

但由于發射的超聲波存在波束角，當障礙物偏離傳感器一定角度時，傳感器將檢測不到障礙物，因此小車就可能與障礙物發生碰撞或摩擦。

3 避障距離計算

該設計基于兩輪驅動的智能小車，計算出多個避障距離，最終選用最大的距離作為安全避障距離（以下均討論臨界狀態）。小車的模型及傳感器布置分別如圖2所示。

安全距離R（或D）：

若小車在轉彎時采用單輪轉動的方法，則安全距離為小車的直徑D，若是采用兩個輪子反向同速轉動，則安全距離為小車半徑R。

安全距離d1：

由于傳感器發出的超聲波有波束角，可以測量角度為？茲的扇形范圍內的障礙物，若小車的避障距離過近，在圖3所示的情況中，即使前方有障礙物，傳感器1也檢測不到，所以需要提高避障距離。只有當障礙物的距離a大于小車的直徑D時，小車才能安全通過，如圖4所示，其中避障距離d1可根據公式3.1計算得出。

若車體距離障礙物等于d1時能檢測到障礙物，則說明前方無法通過，需執行避障操作；若大于d1時檢測到無障礙物，說明前方無障礙或可以通過障礙的間隙，可通過。

安全距離d2：

若執行避障操作，假設左轉。存在以下兩種情況：

情況1：若兩輪反向同速轉動，則左轉后車體右側與障礙物的仍為d1，如圖5（a）所示。若傳感器3檢測到障礙物，則繼續直行，若在前進時檢測到右側無障礙，則執行右轉，通過障礙回到原始方向。

情況2：若單輪轉動，則左轉后車體右側與障礙物的距離變為d1-R，如圖5（b）所示。然后繼續直行。若要在此之后再次右轉回到原始方向，由于是單輪轉動轉彎，則障礙物間距a應大于等于D，在臨界狀態下，傳感器3剛檢測到障礙物時，如圖6所示，可以得出a/2=D。

綜上所述，若選擇兩輪反向同速轉彎，則避障距離選擇Max（R，d1）（即R和d1中的最大值）；若選擇單輪轉彎，由于安全距離d2恒大于安全距離d1，故避障距離選擇Max（R，d2）；若采用差速轉彎，避障距離仍可采用上述思路進行計算。

4 實驗測試

基于以上的避障距離算法，設計了一款智能避障小車。小車直徑為14cm，采用兩輪反向同速轉彎，HC-SR04超聲波傳感器的波束角為10°，計算得出安全距離d1=80cm，在障礙物如圖7所示（其中 始終大于D）。a1為直行時障礙物的間離，a2為左轉后車體右側障礙物的間距。

由表中數據可以看出基于該設計的智能避障小車在有間距的障礙物情況下避障或通過的成功率遠大于前端安裝兩個傳感器的避障小車，有效的實現該設計避障小車的避障以及回到原方向的成功率。

5 結束語

文章采用三回路的HC-SR04超聲波傳感器對障礙物進行檢測，在車體前方安裝一個超聲波傳感器，節約了串口資源，并且能夠在避障后回到原始的前進方向上，避免了由于避障導致的偏離方向。該設計仍存在局限性，如無法用于尺寸較大的智能避障小車。因此該方向仍有很大的提升空間。

參考文獻

[1]楊瑩.國內外機器人研究領域的知識計量[D].大連：大連理工大學管理科學與工程學院，2009：24-41.

[2]顧志華，戈惠梅，徐曉慧，等.基于多傳感器的智能小車避障系統設計[J].南京師范大學學報，2014，14（1）：11.

[3]戈惠梅，徐曉慧，顧志華，等.基于Arduino的智能小車避障系統的設計[J].現代電子技術，2014，37（11）：118.

[4]渠笑納.超聲波測距在泊車輔助系統中的應用[D].大連理工大學，2010.

[5]潘元驍.基于Arduino的智能小車自動避障系統設計與研究[D].西安：長安大學，2015.

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關鍵詞：測距；超聲波傳感器；STM32； 1602顯示屏

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0238-02

當今社會測距是很普遍也很重要的問題，許多場合下需要準確、迅速、實時的測距。例如盲人在行走的過程中，需要一個裝置來檢測前方有無障礙物，在距離障礙物距離過近的時候必須可以報警；又如汽車倒車的時候也需要檢測車尾與車庫的距離，在危險距離的時候可以報警，使車主可以及時剎車，避免發生事故；再如一些的門口也需要測距的裝置，當有人靠近的時候，會發出警報，使該區域的安全性得到保障。目前，測距的方法很多，如紅外檢測具有造價低、安全性能好、制作簡單等優點；缺點是檢測精度低、實用性低。由于超聲測距是一種非接觸式檢測，其抗干擾能力較強，如光源、氣候對超聲的干擾都比較小，相比于其他的技術更精確，更安全。同時，超聲測距具有少維護、不污染、高可靠、長壽命等特點。基于這一現狀，本設計選用超聲波來檢測距離。

1 系統的整體設計

針對上述問題，本出如下的設計：先由超聲波傳感器向正前方發射超聲波，與此同時開始計時，超聲波沿著前進的方向傳播，由于超聲波能感應到障礙物，因此傳播過程中碰到障礙物就會立即朝反方向回傳，這樣超聲波接收器就可以接收到因障礙物而回傳的超聲波，同時，計時停止。超聲波在空氣中的傳播速度v，設傳播時間為t，那么單程傳播的為t/2，由距離（s）=速度（v）時間（t）/2，就可以計算出發射點距障礙物的距離（s）。同時一方面將距離（s）由顯示屏顯示出來，讓使用者能對前方有無障礙物一目了然，并且還能掌握障礙物與其的具體距離；另一方面，設置一個距離最小值，也成閾值，當障礙物的距離小于這個閾值的時候，單片機會給報警器發出報警信號，使報警器報警，讓使用者能夠迅速準確的做出應對措施。超聲波測距原理如圖1所示。

2 系統的硬件設計

2.1 硬件器件的x型

本設計的傳感器選取的是非接觸式的HC-SR04超聲波測距模塊，HC-SR04超聲波測距模塊使用成本低、抗干擾能力強并且準確性能好。單片機選取ARM系列最新、最先進構架的Cortex-M3內核的STM32，STM32不僅性能優越，而且價格便宜，所以本設計選取它作為主處理器。由于本設計的顯示屏只需要顯示距離信號，所以選取易于控制、成本低的1602顯示屏。

2.2 硬件設計

硬件的組成可以分為兩個部分：第一部分由超聲波傳感器以及STM32處理器組成，為檢測部分，具體作用為：首先由STM32控制超聲波發射器發射超聲波，與此同時STM32控制定時器開始計時，由于超聲波是沿著直線傳播，當在前方遇見障礙物時，超聲波會立即反射回來，當超聲波傳感器接收到超聲波的時候STM32控制計時結束；第二部分由1602顯示屏、報警電路組成，STM32檢測計算出來的距離會由1602顯示屏顯示出來，當距離小于預先給STM32設定的閾值時，STM32會立即給報警電路發出報警信號，使蜂鳴器報警。報警部分由蜂鳴器和報警電路組成，報警電路如圖3所示。

3 系統的軟件設計

軟件的設計主要是對STM32的編程，首先初始化串口和定時器，并且預先設置好閾值。接著給連接超聲波傳感器的IO口發出指令，開始發射超聲波，并且由STM32控制定時器開始計數；接著實時監測超聲波接收器有無信號的讀取，若有，則說明前方有障礙物，定時器停止計數。取定時器的計數差值，由定時器計數的差值可以計算出共同的時間，而單向路程所需的時間為共同時間的一半，就可以計算出障礙物與超聲波傳感器的距離。同時還要將這個距離與預先設置好的閾值進行比較，若距離值小于閾值，則STM32會給報警電路發出報警信號，達到報警效果。

4 實驗結果分析

隨機選取不同的距離、不同材質的障礙物進行檢測十次，每當達到檢測范圍的時候，顯示屏每次都能準確的顯示出障礙物的距離，并且當過度靠近障礙物的時候，蜂鳴器每次都會發出報警。結果表明本文設計的超聲波測距系統能夠準確的實現測距和報警的目的，滿足當前市場的要求，同時制作簡易，具有很好的發展和使用前景。

參考文獻：

[1] 胡萍.超聲波測距儀的研制[J].計算機與現代化，2003（10）：54-57.

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【關鍵詞】超聲波 液位儀 MCU 微控制器 PCB

在通常的工業生產工程中，液位測量的目是通過液面高度的測量來確定容器里的原材料、半成品或者產品的，用以保證生產過長的各個環節物料平衡以及給進行經濟核算提供可靠的依據。同時，在連續的生產過程中，為了維持正常生產、保證產品的質量和產量，以及保證安全生產。所以，液位的監測在工業生產過程中是相當重要的。測量液位的儀表主要分為接觸式液位儀表與非接觸式液位儀表兩部分。而超聲波液位儀表，由于其結構簡單、造價地低廉，在近些年里得到了廣泛的應用。

1 設計簡述

所謂的超聲波是指人類聽不到的聲波，一般人的聽覺范圍是20Hz～20kHz，超出這個范圍的聲波正常人是聽不到的。通過聲波在碰到液面后反彈回來的時間來計算當時液面具超聲波傳感器的距離，則液位公式為：

L為液面距超聲波傳感器的距離，c為超聲波在空氣中傳播的速度，T為從聲波發出到接收到回波的時間。

1.1 超聲波液位儀系統結構

如圖1-1所示，該超聲波液位儀包括輸入部分、輸出部分以及控制部。

1.2 超聲波液位儀系統工作原理

將該超聲波傳感器安裝于待測容器的頂部，垂直于被測液面，當發出的超聲波碰到被刺液體后回彈。這時一體化超聲波傳感器處于接受狀態，等待接受反彈回來的超聲波，通過超聲波的發送到接收的時間來計算液面距容器頂端的距離。

1.2.1 液位測量與計算

系統工作時，單片機的定時器開始計時，同時通過單片機的I/O口發送一串頻率為40kHz的信號，信號經過升壓中周發放大后通過一體化超聲波傳感器發送出去。當單片機檢測的回波信號時，停止定時器，并將定時器中的數值讀出，根據系統的機器周期計算出超聲波傳播的時間T。

1.2.2 余波的處理

超聲波探頭將超聲波脈沖發送完畢后，并不是立即停止的，而是逐漸衰減，這一段衰減過程中所發送的波被稱作余波。

使用軟件手段屏蔽掉了余波的干擾。通常收發一體化超聲波傳感器的余波衰減時間為2ms，因此，在程序中發送完40kHz波后，我們利用循環延時2ms，之后再開始讓微處理器等待接收回波信號。而在延時的2ms內返回的超聲波將被忽略，這樣一來，我們將無法檢測較近的距離，而這段無法被檢測的距離就是本液位儀的工作盲區。

2 硬件電路設計

2.1 控制部分

控制部分利用STC89C52RC單片機作為主控制芯片，負責超聲波輸出控制、超聲波回波信號接收處理、計算液面距超聲波探頭的距離、設置閥值輸出報警以及控制顯示部分輸出相關信息。

2.2 I/O口分配

P3.0和P3.1可用于串口通信、程序燒寫；而P1口則可以擴展外接其他拓展模塊。

P3.6和P3.7口分別接CSBIN（超聲波信號輸入），用來接收回波通過處理后的有效電平信號；CSBOUT（超聲波信號輸出），用來輸出脈沖信號，是超聲波傳感器發出40kHz波。

P0口連接LCD1602（液晶顯示器）的數據口，P2.0～P2.2接LCD1602的三個控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。

P2.4～P2.6口分別接三個按鍵輸入；P2.7口作為控制繼電器的信號輸出口，用于控制繼電器的開、閉。

2.3 按鍵與繼電器控制電路

按鍵、繼電器控制電路，獨立按鍵的按下將低電平引入單片機I/O口。而當KA為“0”時，PNP管導通，繼電器線圈得電，觸點動作。

這里選用PNP型三極管是因為單片機復位后，I/O口為高電平，如果使用NPN型三極管則會照成系統上電后繼電器會閉合一下，這樣對設備有害同時可能照成安全事故。

在繼電器線圈的兩端并入二極管DK1（1N4007）起到了對繼電器的保護作用。

2.4 超聲波信號發送及接收部分

發送部分電路主要用到了超聲波專用中周變壓器將單片機I/O口發出的激勵脈沖升壓后供給超聲波探頭，使其發送出與激勵脈沖相同頻率的超聲波。接受部分的電路中用了NE5532高性能低噪聲雙運算放大器。由于NE5532的工作電壓至少為6V時，才能穩定的工作，由于超聲波是一個交流信號，D5的作用就是將負半周期的信號通過GND消除，只保留正信號。信號通過BG2放大后進入NE5532，又經過濾波放大、比例微分后輸出。

3 軟件設計

首先由單片機發出 50KHz 的脈沖串，每八個脈沖為一組，脈沖串通過超聲波發射電路驅動超聲波換能器發出超聲波，單片機在發送脈沖的同時開始計時；超聲波遇到障礙物后的回波經過放大、轉化等處理傳回單片機，這樣就得到了超聲波在空氣中的傳輸時間，然后在中斷程序中根據測出的時間計算出距離。完成后發出下一組脈沖。利用定時器計算出采樣時間，通過前后兩次液位差值與前后兩次檢測的時間，可以算出液位增長的速度。

從實際產品的角度來看，本文設計的超聲波測距儀還有需要進一步完善和改進的地方，主要表現在以下幾個方面：

（1）由于溫度對超聲波的傳播有一定的影響，所以如果加入溫度傳感器，測得儲蓄罐內的溫度，在通過所得的溫度對超聲波進行溫度補償，這樣能提高儀表的精確度。

（2）為了使超聲波液位計能夠檢測到從較遠處反射回來的超聲波，需要進一步完善修改硬件電路，提高硬件電路的抗干擾能力和對微弱信號的放大倍數，提高超聲波液位計的測量范圍和測量的精度。

（3）如果將本設計中的儀表用于工業控制上，可能出現問題，比如，現在的工業控制基本上是現場和人員分離的，為了方便使用，在本設計余留的I/O接口上可以接上無線模塊，和模塊間的通信盡量使用SPI，因為這樣不占用串口資源，而串口這可以用來和上位機通信。

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關鍵詞：橋梁；健康監測；超聲波；傳感器；鋼筋；多源識別

中圖分類號：TU112.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）06-0143-04

1 前言

一直以來政府和公眾都對橋梁的健康安全狀況給予高度關注，如今無論國內還是國外的諸多橋梁都存在不同的安全隱患。在中國，橋梁的建設速度受到質量控制滯后的制約，每年均有橋梁倒塌事故的發生，造成難以挽回的重大的人員傷亡和經濟損失。自1985年起，不同規模的橋梁健康監測系統開始在國外出現并運行。20世紀90年代起我國也開始在某些大型的橋梁上安裝規模各異的橋梁安全監測系統，例如香港汲水門大橋，青馬大橋和汀九大橋，內地的江陰長江大橋和上海徐浦大橋等。

2 橋梁健康監測技術現狀分析

針對振動模態分析技術，當前國內外在橋梁健康監測系統的提出和應用方面獲得的主要成果是：通過進行強迫橋梁振動的試驗，判斷出局部結構發展對模態參數的影響。根據可變荷載、恒荷載，以及支承地基對橋梁健康狀態的影響，驗證了在橋梁健康自動監測中使用環境振動法的可行性；通過獲取數據對計算模型進行修正，根據振型、頻率、振型曲率、應變振型等改變量，開發出不同類型的定位技術和損傷檢測技術；在數據處理上主要有MAC法、COMAC法、柔度矩陣法、矩陣攝動修正法、非線性迭代法以及神經元網絡法等。這些方法在一定范圍內能夠發揮較為積極的效果，但隨著橋梁健康監測系統的不斷研發存在一系列問題：如未能實現最優點傳感器的鋪設，且抗干擾性差，易受外界環境的影響；噪聲、風雨的干擾導致收集到的數據存在較大誤差，從而使數據處理的難度大大提高；未能實現橋梁病害的自動識別。

筆者針對這些問題，提出了超聲波傳感器在橋梁監測中的應用，解決了傳感器鋪設時尋求最優點的問題，提高了傳感器的成活率，同時針對超聲波傳感器收集到的數據建立了簡單易行的數據處理及多源識別系統。

3 超聲波傳感器的工作原理及監測可行性

應用超聲波技術監測橋梁內部的鋼筋健康狀況的超聲波監測法屬于無損監測。超聲波監測法對橋梁構件進行宏觀缺陷檢測并進而就構件的變形損傷進行評價。橋梁服役期間，由于荷載風雨雪等的影響所有結構構件都會面臨程度不同的累積損傷，通過無損檢測技術方法的應用可以獲得橋梁結構構件的內部鋼筋的健康狀態信息，從而與原始狀態的鋼筋進行對比，以判斷累積損傷對鋼筋結構的改變。

超聲波監測法是一種不受光照溫度電磁場的非接觸式測量方法，已被廣泛用于醫學監測、高精密儀器的監測、軍事導航等領域。超聲波是一種高于20kHz的機械振動，能量集中，指向性好，有較強的穿透本領，在遇到兩種介質的分界面時會產生類似光波的反射折射現象。因此對鋼筋混凝土構件發射超聲波，收集對面接收器收集的時間數據，經過數據處理可形成構件內部鋼筋的立體形態，從而分析其破壞程度，監測其服役情況，及時做好防御，整治工作。

超聲波監測系統由超聲波發射器，超聲波接收器，數據采集控制站，數據處理模塊組成。超聲波發射器即超生波電源，其功能是用來制造超聲頻電能同時為超聲換能器裝置提供電源。超聲波接收器的工作原理是指傳感器接收聲信號，傳感器一般都是壓電陶瓷，聲波信號達到壓電陶瓷上，一旦有機械振動，壓電陶瓷能靈敏的將這一機械振動轉換為電信號，這樣就能實現了超聲信號的監測。壓電陶瓷通過特殊的工藝和切割，有一固定的諧振頻率和帶寬，也就是每一片壓電陶瓷都有其對某一頻率最為敏感，且有一定的帶寬，所以能制作出不同峰值頻率和帶寬的傳感器，以適應不同的監測要求。

橋梁的主要材料為鋼筋混凝土，在鋼筋混凝土結構構件中，鋼筋達到屈服時會產生很大的塑性變形，構件會出現較大的變形和過寬的裂縫，以致無法滿足正常使用的要求。鋼筋按其力學性能的不同可分為有明顯屈服點的鋼筋即軟鋼和沒有明顯屈服點的鋼筋即硬鋼，其應力一應變關系如圖1所示。

由圖1可知當鋼筋承受較大的應力發生破壞時會產生較大的變形，鋼筋鋪設在混凝土內部，鋼筋的密度與混凝土的密度差很大，超聲波在其中傳播的速度會發生改變，從而導致接收到超聲波的時間發生變化。故可通過超聲波傳感器監測橋梁中鋼筋的變形來實現對橋梁鋼筋混凝土結構構件的健康監測。

4 超聲波健康監測工作流程

4.1 傳感器的工作程序及安裝方式

根據監測的需要設計安裝溝槽。讀取圖紙中鋼筋混凝土中的受力鋼筋的位置，在其平行部位預留溝槽。橋梁跨度較大時，分段進行。溝槽的寬度根據超聲波發射器及超聲波接收器的大小設計。溝槽要求光滑平整不影響傳感器的正常工作。健康監測系統傳感器工作程序如圖2。

在橋梁上的溝槽上安裝滑輪小車（自動化且能遠程指揮），將超聲波傳感器分別安裝在每一段上的滑輪小車上，使其在溝槽內能夠按照已經設計好的運行軌道移動，從而用較少的傳感器實現對橋梁內部鋼筋結構的全面監測。對小車及所監測的鋼筋及所在軌道進行編號（表1），并根據實際情況與要求設定各個小車的運行周期。

圖3中，M′、N′、M″、N″分別為所設溝槽；P是安裝超聲波發射器的遙控小車所在位置；Q是安裝超聲波接收器的遙控小車所在位置，在儀器運行階段PQ的連線必須與鋼筋所在直線MN保持垂直。將接收到的數據傳送到數據存儲器中，并進行數據處理。

4.2 數據存儲

采用二元數組的形式對數據進行存儲（表2和表3）。

4.3 數據處理及多源識別

在進行調試時，根據鋼筋混凝土試件的不同，橋梁所處的不同環境，選擇不同峰值頻率和帶寬的傳感器，以適應不同的監測要求。

采集到的數據均是超聲波的傳遞時間（t1，t2，t3，…，tn），分別就理想狀態與試驗狀態的數據模型進行分析。

（1）理想狀態（假設鋼筋混凝土構件內部的混凝土攪拌絕對均勻，1dm2驗小塊的密度能夠保持一致性）。

橋梁建成未運營時：采集原始數據組（t1，t2，t3，…，fn）則有（t1=t2=t3=…=tn），安裝超聲波接收器的遙控小車從M′運行到N′視為一個運行周期，通過一元一次方程模擬的鋼筋狀態示意圖（圖4）。

鋼筋發生一定程度的彎折時：采集數據組（t1，t2，t3，……tn……）則有（t1=t2=t3，t34不等于t35但連續變化……），并與原始數據組進行比較，通過一元一次方程模擬的鋼筋狀態示意圖（圖5）。

由圖4、5可知，有一段鋼筋發生了彎折，且根據小車在第t3，t4時刻所在的位置，估測出鋼筋的形變位置。

（2）試驗狀態（鋼筋混凝土構件內部的混凝土攪拌達不到絕對均勻，1dm3的試驗小塊的密度有輕微差別）。橋梁建成未運營時：采集原始數據組（t1，t2，t3，……tn……）則有（t1，t2，t3，……tn……不相等但呈現連續性變化），裝超聲波接收器的遙控小車從M′運行到N′視為一個運行周期，通過一元一次方程模擬的鋼筋變形狀態如圖6。

將基礎數據保存在數據庫中，同時監測各種破壞的破壞形式從而形成圖像，建立破壞時的數據庫形成各種破壞模型。監測運營后的橋梁情況與真實的初始數據進行比較，建立如圖7的比較圖像。

當監測識別存在偏差時，與各種破壞的破壞圖像比較，尋求相似度接近度最高的模型，從而分析橋梁的實際變形，做出正確的損傷判斷。

上述方法僅能監測鋼筋的上下變形，通過安裝多傳感器即在構件的上下位置同時安裝一套儀器，實現對鋼筋的前后變形監測，通過對兩組數據的合成，實現鋼筋的三維立體實測圖像，如圖8、9所示。

與單一超聲波系統比較，采用多傳感器監測的健康系統能夠實現更加立體和全方位的監測視角，提高健康診斷的準確性和可靠性，得到精確的目標距離方位信息。

4.4 超聲波健康監測系統的優勢

主要優勢體現在以下幾點：鋪設在橋梁結構的外部，便于安裝維修；不用尋求一般傳感器的最優鋪設位置，通過溝槽的設計，能夠實現對橋梁內部鋼筋的全面監測。且對混凝土結構無損傷；使用時受外界噪聲影響較小，得到的數據精確度更高，提高了數據的利用率，降低了數據處理的難度；超聲波技術基于傳感器原理，可以進行多源數據的擴充和信息系統處理能力的進一步提高，為橋梁健康監測提供了基礎技術支撐平臺。

篇(6)

關鍵詞：ZigBee；停車場管理；嵌入式；無線傳感網

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2013）03-0018-04

0 引 言

隨著我國城市現代化、國際化的發展，城市居民汽車擁有量急劇增加，車輛的管理控制也顯得越發重要[1]。在擁擠的市區里，汽車與停車位之間的矛盾越來越突出[2]。對于各類停車場控制管理也有著更高的要求，不僅要求可以實現對車輛的收費和停泊管理，而且要求車輛進出都可以快速進行，縮短停車時在出入口的平均逗留時間，提高停車效率。為了提高停車場的信息化、智能化管理水平，給車主提供一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的環境，實現停車場運行的高效化、節能化、環保化，本文設計了一套基于ZigBee網絡的停車場管理系統。

1 系統硬件設計

當停車者根據點陣屏上顯示的車位信息進入停車場時，按鍵，射頻卡自動彈出，內部自動進行第一次刷卡，系統記住刷卡時間。車位信息由ZigBee系統采集與傳輸。終端節點將采集到的車位信息通過路由器發送給協調器，協調器處理之后，通過串口發送給LED點陣控制器，最終LED控制器控制點陣顯示停車場車位信息。當司機離開停車場時再次刷卡，系統通過兩次刷卡的時間差與標準計費對比進行收費。

本系統主要由三部分組成：第一部分是無線傳感網絡，它由ZigBee協調器、路由器以及帶有超聲波傳感器的終端節點組成；第二部分是射頻計費，由S3C2440和MFRC522射頻模塊組成；第三部分是信息顯示系統，由AVR單片機和點陣顯示屏組成。圖1所示是系統的設計結構圖。

ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1 mW。在通信狀態下，ZigBee終端耗電為幾十毫瓦；在省電模式下，耗電僅僅幾十微瓦。由于工作時間較短、收發信息功耗較低且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間[3]。在本設計中，終端節點采用中斷喚醒睡眠模式。當超聲波傳感器的電平不發生變化時，CC2430處于休眠模式[4]；當超聲波傳感器的電平跳變時，51單片機發信號喚醒CC2430工作。這樣，本設計在功耗方面可以降到最低，這也是本設計采用ZigBee網絡的主要理由。

ZigBee無線網絡是本設計的主要部分。整個系統通過ZigBee無線網絡采集與無線傳輸超聲波傳感器實時對車位是否被車輛占用發送監測信息。最后由協調器發往監控中心，在LED點陣顯示屏顯示車位剩余信息以及空車位所在的具置。理論上每個ZigBee協調器可容納65 000多個節點[5]，而且隨著停車場大型化趨勢的發展，可以通過增加路由器對大型停車場的節點進行分區管理，一個協調器放在監控中心對幾個分區進行監控。

本設計中的終端節點由CC2430模塊、超聲波傳感器與51單片機組成。超聲波傳感器的發送和接收端與51單片機的P1.0和P3.2相連，51單片機信息輸出端再與CC2430模塊的中斷接口相連。圖2所示是終端節點的連線圖。

將終端節點放置在停車場車位下部。超聲波傳感器在未檢測到障礙物時，輸出端發送的是連續的高電平；檢測到障礙物時，輸出端發送低電平；當檢測到障礙物穩定時，超聲波傳感器持續輸出低電平。由于一般轎車底盤是20～50 cm，可以在軟件程序里設置超聲波傳感器的檢測距離來判斷車位是否有汽車存在。超聲波傳感器實時工作，當輸出端有電平跳變時觸發51單片機，當電平跳變到一個值趨于穩定時，說明該車位的車位信息就會變化，51單片機將信息發送給CC2430。終端節點通過以上過程采集車位信息，終端節點采集到的車位信息通過路由器傳給協調器。協調器把采集到的車位信息進行分析與處理，發送給點陣顯示屏的控制器。協調器通過串口與點陣顯示屏的控制器相連。點陣屏將車位信息實時顯示，以文字與標號結合的方式為停車者提供參考。

射頻計費部分采用的是S3C2440和MFRC522模塊組成的刷卡計費器。主控芯片使用S3C2440處理器，它是一款32位的高速處理器，能夠實現數據的快速處理與傳輸。它主要有以下特點：體積小、低功耗、低成本、高性能；大量使用寄存器，指令執行速度更快；尋址方式靈活簡單，執行效率高 [6]。本設計選用非接觸型IC卡，即射頻IC卡。射頻IC卡避免了接觸型IC卡與讀卡器之間的物理接觸，減少了卡的磨損[7]，故本設計采用PHILIPS公司的Mifare1卡和本射頻卡配套的MFRC522芯片。由于MFRC522兼容SPI的通信方式，本設計在S3C2440上模擬了SPI的接口供其與MFRC522通信，在SPI通信中MFRC522模塊用作從機。SPI時鐘SCK由主機產生。數據通過MOSI線從主機傳輸到從機；數據通過MISO線從MFRC522發回到主機。

本設計采用AVR單片機控制LED點陣顯示屏。因為AVR單片機處理指令的速度比其他單片機較快，抗干擾能力相對較強，作為點陣顯示屏的控制器，可以顯示比較好的效果，所以，本設計使用AVR ATmega16單片機為LED點陣控制器。點陣顯示屏可以直觀地將停車場的車位信息顯示，為停車者提供參考，供停車者快速便捷地停車，節省大量時間。

2 系統軟件設計

ZigBee通信協議采用分層結構，節點通過在不同層上的特定服務來完成所要執行的各種任務。本設計采用TI公司提供的ZigBee 2006 Z-Stack協議棧[8]，其在IEEE 802.15.4標準物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）基礎上增加了網絡層、應用層和安全服務規范[9]，是一種較好的無線傳感網絡組建方案。ZigBee設備類型按網絡功能分為三種：協調器、路由節點和終端節點。

ZigBee網絡是由協調器建立的，任何一個節點想建立一個網絡必須滿足兩個條件：第一，節點是具有協調器功能的全功能設備（FFD）節點[10]；第二，節點沒有和其他網絡連接，一個網絡只允許有唯一一個協調器，如果此節點與其他網絡連接，那么此節點只能作為該網絡的子節點，而不能建立自己的網絡了。

協調器是整個ZigBee網絡的核心，它也是網絡的第一個設備[11]。它主要負責網絡的建立、節點成員的加入、網絡地址分配、網絡鏈接表的更新、信息的收集與轉發等。此外，在本設計中協調器通過串口與AVR單片機模塊進行通信，因此需要在協議棧中編寫ZigBee串口應用程序。圖3為ZigBee無線網絡搭建流程圖。

ZigBee路由節點在本設計中主要實現路由傳輸終端節點數據信息功能，所以程序設計相比協調器和終端節點較簡單。

終端節點主要負責車位信息采集與發送。終端節點實時采集各個傳感器的輸出車位信息，并將車位信息通過無線網絡發送給協調器；同時也實時準備接收協調器發送的控制命令，收到控制命令執行相應的操作。所以終端節點的軟件設計主要包括無線網絡的加入、傳感器數據采集、無線數據的發送和接收。

本設計中分配給每個終端節點不同的物理地址，將物理地址作為判斷該終端節點所在的車位是否有汽車的依據。當車位被占時，將該車位終端節點的物理地址的后兩位“XX”（XX代表每個終端節點的物理地址的后兩位）發送到協調器；當車位空時，車位終端節點發送“00”到協調器。協調器將收到的車位信息通過串口發送到單片機，存儲到單片機的串口存儲緩沖器中，點陣顯示判斷程序通過判斷存儲緩沖器的數據，進行相應的車位信息顯示。

3 實驗結果

終端節點是由CC2430、51單片機和超聲波傳感器為一體的采集節點組成的。由于一般的轎車底盤是20～50 cm，通過在程序里設置超聲波傳感器的檢測距離來檢測車位是否有車。當車位被占時，超聲波傳感器采集到低電平發送給CC2430；當車位空著時，超聲波傳感器采集到高電平發送給CC2430。系統通過電平差來判斷車位是否有車的存在。本設計中車位1的終端節點的后兩位的物理地址為20，車位2的終端節點的后兩位的物理地址為40。由于采用兩個終端節點，每次兩個節點的車位信息一起發送，即四位一起。圖4所示是兩個節點發送車位占滿與全空的示意圖。 當終端節點采集到車位1和車位2都被占時發送“2040” ； 當終端節點采集到兩車位都空著的信息時，協調器發送“0000”。

圖5所示是車位有一個被占時的界面示意圖。當終端節點采集到車位2空著，車位1被占時發送“2000”； 當終端節點采集到車位1空著，車位2被占時發送“0040”。

4 結 語

本設計綜合了ZigBee無線網絡的優點，設計了一套基于ZigBee無線網絡的停車場管理系統，該系統能夠準確地判斷車位信息，并用LED點陣屏顯示位信息，以引導停車者快速、便捷地停車。本設計能夠有效地克服大型停車場布線難的問題，同時節省成本，同時，ZigBee通過功放可在低功耗的條件下實現1 000 m以上的通信距離，在停車場中基本可實現全覆蓋。但是，本設計還有一些不足，比如超聲波傳感器的能耗問題，還有加入更多的終端節點該怎么判斷等問題。因此，以后還需要進一步研究，以讓本設計更充分體現它的價值作用。

參 考 文 獻

[1]陳榕.停車場管理系統的設計與實現[J].科技創新導報，2009（23）：181-183.

[2]曹建軍，史忠科，宋蕾.小區停車場智能管理系統設計[J].計算機工程與應用，2009，45（5）：214-217.

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]楊登強，王玉杰.基于ZigBee技術的智能停車場系統研究[J].物聯網技術，2012，2（8）：44-47.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[6]馬志晶（譯）.S3C2440A中文手冊[R].2007.

[7] FINKENZELLER Klaus.射頻識別技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[8] Texas Instruments. A true system-on-chip solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications [EB/OL].[2010-02-11].http：//.

[9] YU Ning， WANG Jiang-wen，WU Yin-feng. Localization algorithm in wireless sensor networks [J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators， 2007， 20（1）： l87-192.

篇(7)

關鍵詞 鉆井儀表；泥漿體積測量；體積傳感器

中圖分類號TE92 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）47-0144-02

0 引言

隨油層開發難度的增大以及出于對油氣層的保護，鉆井作業中常采用欠平衡等工程保護措施；為確保欠平衡鉆井作業的安全高效，對鉆井工程儀表中泥漿體積監測提出了更高的要求。在體積檢測手段上有M/D TOTCO 的MD WACTH和國內VDX VentureDynamix等一些成熟的鉆井儀表技術。

泥漿體積監測是物位測量的一種，精度上依賴于傳感器的性能；許多新型體積測量傳感器隨計算機、雷達等新技術的應用而得以推廣。按照測量方式的不同可分為接觸式與非接觸式傳感器兩種類型。

1 接觸式傳感器簡介

接觸式傳感器與測量介質接觸；按照測量原理又分為浮力式、靜壓式、電容式幾種；其中恒浮力式傳感器具有結構簡單、維護方便等優點，成為鉆井生產中廣泛應用的一種測量方式。

浮子式液位傳感器采用磁性浮子和裝有磁敏元件的非磁性管子的方式測量，如圖1所示；管內的磁敏元件在磁性浮子中磁力線的作用下連通；磁力消失，觸點斷開；根據接通觸點的位置，可以換算出液面的高度，再根據罐截面積就能計算出罐內的泥漿體積了。

根據磁敏元件的使用，可分為干簧管式、霍爾元件式、磁致伸縮式幾種浮子傳感器。

1.1 干簧管式浮子傳感器

干簧管是干式舌簧管的簡稱，是一種有觸點的無源電子開關元件，如圖2所示；其外殼一般是一根密封的玻璃管，管中裝有兩個鐵質的彈性簧片，還灌有一種叫金屬銠的惰性氣體。

干簧式傳感器具有結構簡單，價格便宜，便于控制等優點；但其缺點也是比較明顯的，易碎、觸點磁化不分離等。

1.2 霍爾元件式浮子傳感器

霍爾元件式浮子傳感器采用類似于三極管或集成電路封裝的感應器件；這種封裝的傳感器件具有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、響應頻率高（可達1MHz）、耐震等優點，隨封裝成本的降低，霍爾元件式浮子傳感器感正成為干簧管傳感器的替代者。霍爾元件如圖3所示。

2 非接觸式傳感器簡介

非接觸式傳感器不與測量介質接觸；傳感器種類主要有微波雷達、光導和超聲波等幾種。其特點是使用聲波、光波、電磁射線等方式來測量，拆裝方便，精度高。

2.1 超聲波物位計

超聲波是機械波的一種，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業中超聲波物位計主要采用縱波測量。

2.1.1 檢測原理

超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發出的超聲脈沖信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位高度。原理如圖4所示。

2.1.2 計算方法

考慮到環境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償的方法對傳播速度予以校正，以提高測量精度。計算公式為：

V=331.5+0.607T （1）

式中：V為超聲波在空氣中傳播速度；T為環境溫度。

S=V ×t/2=V×（t1-t0）/2 （2）

式中：S為被測距離；t為發射超聲脈沖與接收其回波的時間差；t1為超聲回波接收時刻；t0為超聲脈沖發射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時刻和t1時刻，根據以上公式，用軟件編程即可得到被測距離S。

2.1.3 超聲波傳感器的特點

超聲波傳感器應用起來原理簡單，安裝方便，成本也很低。但易受環境噪音、水汽、液面泡沫的影響，造成體積測量中出現測量值出現較大的跳動。

2.2 微波物位計

微波技術測量原理類同與超聲波測量；簡單區分，微波是利用電磁波來測量，超聲波是利用聲波來測量。微波測量也稱為雷達測量，雷達信息通過發射器、發射天線、目標、接收天線和接收器組成的通道發射和接收。發射器以波束形式發射高頻電磁波，經泥漿液面反射后，部分電磁波到達雷接收器，計算方式也類同與超聲波。

3 結論

非接觸式變送器剛進入市場時，曾被寄予過高的期望，實用中發現局限性也很大；與接觸式傳感器比具有精度高、測程遠、全天候等特點，但也有明顯的劣勢：測量靶心大，易受罐內攪拌器、盤管、海底閥以及液體泡沫等障礙物的影響。隨著計算機軟件、超聲波、雷達等新技術的應用研究，超聲波液位計在鉆井現場會得到越來越廣泛的應用，是一種較有前途的測量方法。

參考文獻

[1]張秀菊，龍曉林.開關型霍爾傳感器的應用[J].電子世界，2002(4)：35-36.