超声波测距原理
超声波测距原理
超声波测距由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。
本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
编辑本段原理二、超声波测距原理1、超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
2、压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
3、超声波测距原理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 。
这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
简述超声波测距的原理。
简述超声波测距的原理。
《超声波测距原理》超声波测距是一种常用的测距技术，广泛应用于工业、医疗、科学研究等领域。
它利用超声波的特性，通过测量声波传播时间，来计算目标物体与测距设备之间的距离。
超声波是一种频率高于人耳可听到的声波，它的频率一般在20kHz到200kHz之间。
超声波在空气、液体和固体中的传播速度不同，一般为340米/秒至1500米/秒之间。
这些特点使超声波成为一种适合测距的工具。
超声波测距的原理非常简单。
首先，发送器会发出一个短暂的超声波信号，这个信号会被目标物体反射回来。
接收器会接收到反射的信号，并记录下信号从发送到接收所经过的时间。
通常情况下，超声波测距设备会有一个内置的计时器来测量这段时间。
根据声波传播的速度和时间，可以使用基本的物理公式来计算目标物体与测距设备之间的距离。
公式如下：距离 = （声波传播速度 ×传播时间）/ 2其中，传播速度是超声波在特定介质中的传播速度，传播时间是信号从发送到接收所经过的时间。
由于声波在不同介质中的传播速度不同，测距设备需要根据具体的应用场景来选择适当的传播速度。
超声波测距具有准确性高、测量范围广的优点。
它可以测量离测距设备几个毫米到几十米的距离，而且误差一般在几个毫米左右。
此外，超声波测距设备的结构简单，体积小型，重量轻，易于携带和安装。
超声波测距技术广泛应用于工业领域，用于测量物体的距离、位置和速度。
在自动控制和导航系统中，超声波测距设备可以用于避障和目标定位。
在医疗领域，超声波测距设备被用于医学影像学，如超声心动图和超声造影等。
总之，超声波测距通过测量声波传播时间，利用声波传播的速度，来计算目标物体与测距设备之间的距离。
它具有准确性高、测量范围广的优点，广泛应用于工业、医疗和科学研究等领域，为人们的生活和工作提供了更多便利。
超声波传感器测距原理
超声波传感器测距原理超声波传感器是一种常用的测距装置，它利用超声波在空气中的传播速度来测量距离。
超声波传感器主要由发射器、接收器和控制电路组成。
当发射器发出超声波脉冲时，这些超声波脉冲会在空气中传播，当遇到障碍物时会被反射回来，接收器接收到这些反射波并将其转换为电信号，控制电路再根据接收到的信号来计算出距离。
超声波传感器测距的原理主要是利用超声波在空气中的传播速度来计算出距离。
在空气中，超声波的传播速度大约为340m/s，因此可以通过测量超声波从发射到接收的时间来计算出距离。
当发射器发出超声波脉冲后，经过一段时间后接收器才能接收到反射回来的超声波，根据发射和接收的时间差，可以通过简单的计算得出距离。
超声波传感器测距的原理非常简单，但是在实际应用中需要考虑一些因素。
首先，超声波在空气中的传播速度会受到温度、湿度等环境因素的影响，因此在测距时需要对这些因素进行修正。
其次，超声波在传播过程中会受到障碍物的影响，如果遇到多个障碍物，可能会出现多次反射，这时需要对接收到的信号进行处理，以准确计算出距离。
除了以上因素外，超声波传感器测距还需要考虑到超声波的发射角度和接收角度。
发射器和接收器的位置和角度会影响到超声波的传播路径，因此需要对超声波的传播路径进行精确的控制，以确保测距的准确性。
总的来说，超声波传感器测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度来计算出距离，通过测量超声波的发射和接收时间差来实现测距。
在实际应用中，需要考虑到环境因素、障碍物的影响以及发射接收角度等因素，以确保测距的准确性和稳定性。
超声波传感器在工业自动化、机器人、车辆等领域有着广泛的应用，其测距原理的稳定性和准确性对于实际应用具有重要意义。
超声波传感器测距原理
超声波传感器测距原理超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。
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（秒），就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2）1、特点介绍超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。
本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
2、分类为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
较为常用的是压电式超声波发生器。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构，它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
超声波测距原理
三超声波测距原理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 。
这就是所谓的时间差测距法。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
特点：由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。
超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远。
应用：超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量四将两个光栅及其叠加结果绘制成如右图所示的局部放大示意图。
莫尔条纹的间隔（1）检验光栅用已知光栅常数的标准光栅检验被测光栅的光栅常数。
要求标准光栅的光栅常数与被测光栅的光栅常数接近但不等，转动标准光栅和被测光栅之间的角度，使莫尔条纹间距达到最大，此时θ≈0，代入公式(1)，则（2）测量微小位移有得当θ非常小时，可以将式(2)进一步简化为（1（2）（m≈d/θ若被测物体沿光栅条纹排列方向移动光栅常数d的距离，则莫尔条纹变化m，所以莫尔条纹将位移放大了1/θ倍。
(3)测量微小角度将式(2)做微分运算，并改写成有限变量的形式根据式(5)可以动光栅与静光栅之间角度的微小变化量。
工作原理：利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信号，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。
(完整)超声波测距原理及简介
超声波测距原理及简介超声波测距是什么由于超声波指向性强，能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。
本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
超声波测距原理1、超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器.总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
2、压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板.当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
3、超声波测距原理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 .这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离.由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。
几种常见的超声波测距原理图
几种常见的超声波测距原理图
超声波测距原理
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 。
这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：L=C&TImes;T
式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
超声波测距模块原理
超声波测距模块原理
超声波测距模块是一种常用的测距设备，其原理是利用超声波在空气中传播的特性来实现距离测量。
超声波是一种高频机械波，其频率通常在20kHz～100kHz之间。
超声波在空气中传播时，会遇到物体阻挡，产生反射，反射回来的超声波经过接收器接收，从而实现测距。
超声波测距模块通常由发射器和接收器两部分组成。
发射器会发出一定频率的超声波，经过一段时间后，超声波会遇到障碍物，被反射回来。
接收器会接收到反射回来的超声波，通过计算反射回来的时间，可以算出障碍物距离测量点的距离。
超声波测距模块的精度和测距范围受到多种因素的影响，如超声波发射功率、传播介质（空气、水等）、温度、声速等。
因此，在使用超声波测距模块时，需要注意这些因素的影响，以保证测量精度和测距范围的准确性。
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一、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。
超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即:S = v·△t /2 ①这就是所谓的时间差测距法。
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。
常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。
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（本系统正是采用了温度补偿的方法）。
已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为：V = 331.45 + 0.607T ②声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。
这就是超声波测距仪的机理。
二、系统硬件电路设计图2 超声波测距仪系统框图基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。
该系统由单片机定时器产生40KHZ的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。
单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。
工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。
当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。
下面分别介绍各部分电路：1 、超声波发射电路超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。
由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。
图3中T为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。
利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用在它上面的机械振动转换为相应的电信号, 从而起到能量转换的作用。
市售的超声超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。
超声波接收器接收反射的超声波转换为40KHz毫伏级的电压信号,需要经过放大、处理、用于触发单片机中断INT0。
一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不同信号大小变化较大,需要放大倍数大约为100到5000倍,另一方面传感器输出阻抗较大,这就需要高输入阻抗的多级放大电路,这就会引入两个问题:高输入阻抗容易接收干扰信号,同时多级放大电路容易自激振荡。
参考各种资料最后选用了SONY公司的专用集成前置放大器CX20106达到了比较好的效果。
CX20106由:前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。
其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益,在近距离输入信号强时放大器不会过载。
其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。
其主要指标:单电源5V供电，电压增益77 - 79DB , 输入阻抗27 KΩ , 滤波器中心频率30 K- 60 KHz。
功能可描述为: 在接收到与滤波器中心频率相符的信号时,其输出脚7脚输出低电平。
芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干扰能力很强。
CX20106采用8脚单列直插式塑料封装，内部结构框图如图4。
超声波接收器能将接受到的发射电路所发射的红外光信号转换成数十伏至数百伏的电信号，送到CX20106的①脚，CX20106的总放大增益约为80dB，以确保其⑦脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.5~5V 范内。
总增益大小由②脚外接的R1、C1决定，R1越小或C1越大，增益越高。
C1取值过大时将造成频率响应变差，通常取为1uf。
C2为检波电容，一般取3.3uf。
CX20106 采用峰值检波方式，当C2容量较大时将变成平均值检波，瞬态响应灵敏度会变低，C2较小时虽然仍为峰值检波，且瞬态响应灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解调出错而产生误操作。
R2为带通滤波器中心频率f0的外部电阻，改变R2阻值，可改变载波信号的接受频率，当f0偏离载波频率时，放大增益会显著下降，C3为积分电容，一般取330pf，取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出编码脉冲的低电平持续时间增长，造成遥控距离变短。
⑦脚为输出端，CX20106 处理后的脉冲信号由⑦脚输出给单片机处理从而获得显示输出。
图4 CX20106内部结构框图本系统中应用的接收电路见图5 , 当89C51的P1.7为高电平时三级管V1导通，+5V电源通过继电器线圈和V1的发射结到地，使继电器K1接通，R2和R3并联组成5Ω电阻通过C1组成RC电路，控制红外接收专用集成电路CX20106的增益，使其7脚输出一定幅度的电压信号到89C51的P0.2口以触发中断。
另外该芯片价格在三到五元,非常节省系统成本。
图5 超声波接收电路3、距离显示电路图6 显示电路超声波显示电路如图6所示。
是利用单片机的串行输出。
只用单片机的TXD，RXD端即可显示数字。
三、软件程序设计本系统采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成，图8为程序流程图。
该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码显示器上显示出来。
图8 软件程序框图定时器中断子程序外部中断服务子程序四、具体程序#include<reg51.h>#include<math.h>/*定义数据类型*/#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/*定义系统常数*/long int time; /* 时间*/bit CLflag; /* 测量标志*/char cshu; /* 串数*/#define T12us (256-12) /*定时器设初值T=（256-T12us）*12/12MHZ */ /*定义功能位,串口用于显示*/sbit VOLCK=P1.0; /* 发射*/sbit MING=P3.2; /* 外部中断0检测接收信号*/char idata disp[9]; /* 显示数据*/char idata number[9]; /* 显示数据*/char code table[] ={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};/* 码表0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 */void dispfb() /* 显示5位数据*/{ char i;for(i=0;i<5;i++) {disp[i]=table[number[i]]; }disp[3]=disp[3]+1; /* 置小数点*/for(i=0;i<6;i++) {SBUF=disp[i]; while(TI==0); TI=0; } }/* 通用延时子程序*/void delay( int j ){ int i; for(i=0;i<j;) i++; }/* 初始化定时器,CTC0、CTC1用于定时*/void init_CTC(void ){TMOD = 0x21; /* 设CTC1工作于模式2 */ET0 = 0; /* 不允许CTC0中断*/}void init_INT( ) /* 外部中断初始化为高优先级，并开中断*/ {IP=0x01; /* 置外部中断INT0优先级为高*/TCON=0; /* 设置外部中断0的中断方式为电平触发*/}void serve_INT0( ) interrupt 0{/* 外部中断0，用于检测接收信号*/TR0=0; /* 关闭定时器0 */EX0=0; /* 关中断*/time=(long)TL0;time+=(long)TH0*256;CLflag=1;}/* CTC1中断服务程序，12.5us 中断一次,用于发射*/void CTC1_INT ( ) interrupt 3{VOLCK=~VOLCK;cshu++;}void CTC0_INT ( ) interrupt 1{TR0=0;ET0=0;}void Timetojuli( ) /* 将测量的时间转换为距离*/ {long i;i=(long)time;i=i*340;i=i/2;number[4]=i/10000000; /* 十米*/i=i-number[4]*10000000;number[3]=i/1000000; /* 米*/i=i-number[3]*1000000;number[2]=i/100000; /* 分米*/i=i-number[2]*100000;number[1]=i/10000; /* 厘米*/i=i-(long)number[1]*10000;number[0]=i/1000; /* 毫米*/}uchar getkey( ); /* 读键盘*//*主程序*/void main(){int i, key;init_CTC( ); /* 初始化定时器*/init_INT( ); /* 初始化外部中断*/CLflag=1; /* 测量标志*/for(i=6;i>4;i--) disp[i]=0xff;cshu=0; /* 传数*/delay(200); /*延时*/;IE=0x80; /* 开中断*/ET1=0; ET0=0;TR1=0; TR0=0;TL1=T12us; TH1=T12us;while(1){key=getkey( ); /* 读键盘*/if(key==0x0fe && CLflag==1 ) /* 测量*/{key=0; CLflag=0;cshu=0;TL1=T12us; TH1=T12us;TL0 = 0; TH0 = 0; /* 定时器0的初始时间*/ TR0=1; /* 启动定时器0，开始记时*/TR1=1; /* 启动定时器1，发送信号*/ET1=1;while(cshu<12) ;ET1=0; /* 发十个脉冲串*/TR1=0;delay(95);EX0=1;while(!CLflag);if( cshu>=10 && CLflag==1){ Timetojuli( );dispfb();}}}}uchar getkey( ){char flag;uchar key, keytemp;flag=0;keytemp=P1;if(keytemp==0xff) return(255);else {flag=1;delay(100);key=P1;if(key==keytemp) return(key);else return(255);}}五、实验结果及分析表2是利用本文的测距仪进行实际测量的结果。