搜搜做题作业网现代测距理论和超声波测距的意义
来源：学生作业帮 编辑：搜搜做题作业网作业帮 分类：综合作业 时间：2024/04/29 03:16:17
现代测距理论和超声波测距的意义
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超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴.超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸收而发生衰减.它也有自已的特性,如它的频率可以非常高,达到兆赫级,因此,它在介质中传播时能量可以集中在很小的范围内,具有良好的成束性,也就是方向性好.
超声波的研究历史可以追溯到上个世纪.1883年,Galton首先发现了超声波的存在,他当时的研究目的主要是探索人类所能感知的声谱范围.在Galton之后的三十年中,超声波仍然是一个鲜为人知的东西,由于当时电子技术发展缓慢,对超声波的研究造成了一定程度的影响.因此,当压电效应和磁致现象被发现后并没有应用于制造有效的超声设备.在第一次世界大战中,对超声的研究逐步受到重视.由于战争的需要,法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波.他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并可以进行水下的通信联络.
在我国,超声学的研究开始于二十世纪五十年代,1959年至1964年间我国建立了分子声学实验室,对驰豫吸收、悬浮体的声吸收等问题进行了深入的研究,设计生产了固体中超声衰减的测量设备,对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减的研究取得了令人兴奋的成果.同时在超声波探伤、加工、种子处理、显示、医疗等应用领域取得了可喜的成绩.表面波换能器的研究我国开始于1965年,于1970年开始了高频表面波的研究,1977年,我国研制成表面脉冲压缩滤波器.在80年代以后,我国的超声研究进入了一个全新的阶断,取得了一系列标志性成果,压电复合材料研制成功,窄脉冲短余振探头问世,PVDF高分子压电薄膜材料赶上并超过国际水平,高分子压电PVDF型换能器和超声显微镜的研究获得了实用,高频压电材料LiNb03研制成功.在应用方面,8超和A超医疗探头开始投入生产和医疗应用.超声显微镜投入应用.总的来说,我国在超声方面的研究在某些方面己走在了世界的前列.
近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向:
1、由定性的判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断,并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像;
2、向在线自动检测和仪器的智能化发展,其中非接触超声测试技术取得突破进展;
3、超声测试技术和材料的物性评价相结合,材料的设计、加工和工程应用迅速发展.
1.2 超声应用领域
超声在许多领域内比可听声的用途更加广泛,是基于以下儿个原因:
1、具有方向性,超声波的频率越高,则方向性越强.在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素.
2、超声波的频率越高,则波长越短,波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度.在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度Mail距中,这一点相当重要.
3、超声是不可听声,这样就避免产生噪声,因而超声具有绿色特性.
在工业生产中,超声波被应用在金属材料和部分非金属材料探伤,钡口厚,以及超声振动切削加工、清洗、焊接等行业.以及进行物位、浓度、硬度、温度等检测.
超声波被广泛应用于医学领域,在诊断显像技术,血流测量计,胎儿检查仪,超声波洁牙器等医疗器械都是利用了超声波的特性.
在军事领域中,超声波用于雷达目标定位,武器制导等方面.
1.3 几种测距方法介绍
除超声波测距外,目前被广泛使用的还有核辐射测距、微波测距、光学测距等,下面对这几种测距方法进行介绍.
1.3.1 核辐射法
不同物质对同位素射线的吸收能力不同,一般固体最强,液体次之,气体最差.当射线射入厚度为H的介质时,会有一部分被介质吸收掉.透过介质的射线强度I与入射强度Io之间有如下关系:
(2-1)
式中,m为吸收系数,条件固定时为常数.
上式可变为
(2-2)
因此,测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现.
辐射式物位计既可进行连续测量,也可进行定点发送信号和进行控制.射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响,而且可以穿透各种介质,包括固体,因此能实现完全非接触测量.这些特点使得辐射式测距计适合于特殊场合或恶劣环境下的液位测量,如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量.但在使用时仍要注意控制剂量,作好防护,以防射线泄漏对人体造成伤害.
1.3.2 微波测量法
在电磁波谱中将波长为1~ l000mm 的电磁波称为微波.微波的特点是在各种障碍物上都能产生良好的反射,具有良好的定向辐射性能;在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小,具有很强的环境适应能力.
随着大规模集成电路技术和微处理技术的迅速发展,微波检测技术从长期停滞不前的原理性、实验性研究阶段,迅速进入工程实用和产业化阶段.有关厂商不断推出各种高性能的微波固体器件以及微波集成电路,不但使微波发射接受电路实现小型化,而且性能指标也有很大的提高,价格也有很大的下降.利用介质对微波的反射或吸收特性,微波检测技术在运动目标检测,目标物含水率检测,液位、料位检测等方面的应用愈来愈广泛.
调频物位测量计是由调频固态源产生等幅的无线电波,其振荡频率在时间上按调制信号呈周期性变化,设在某一瞬间频率为f0,由发射器射向测量对象,并由测量对象反射回来,经过接收器接收,输入混频器,在回波到达混频器的瞬间,固态源的振荡频率由于调制信号的作用,较回波频率己有了变化,设为f1,它继续不断地射向测量对象,并有一部分作为本振频率耦合到混频器与f1进行混频.这样,在混频器的输出端就产生了差频Δf,并且此差频与发射器和接收器离测量对象的距离L成正比,测量出Δf的大小也就可以计算得到距离L的数值.设调制信号波形为三角形,固态源初始频率为f0,则固态源频率变化规律为
(2-3)
式中,T为调制波周期, F为调制波频率,f0为固态源初始频率,f2为本振频率,Δf0为固态源调制信号1/2周期内的频偏范围,t为时间.回波频率为
(2-4)
式中,f1为回波频率,Δt为微波往返于被测对象之间的延迟时间,C为光速,L为被测距离,所以,差频频率Δf为
(2-5)
由上式整理得被测距离L为
(2-6)
从上式可以看出被测距离L与差频频率Δf成正比.当固态源的调制频率F和频偏Δf0一定时,只要测出Δf,就可以计算得到L.
当固态工作频偏Δf0=300MHz,调制频率F=1kHz时,代入式中可得
(2-7)
通过频率差计算出位置的变化.
1.3.3 光学测量法
激光用于液位测量,克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点,使测量精度大为提高.
激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成.工作方式有反射式和遮断式,在物位测量中两种方式都可使用,但一般只用作定点检测控制,不易进行连续测量.
1.3.4 超声测量法
超声波测距的基本原理是,由超声探头发出的超声脉冲信号,在空气中传播,遇到空气与物体的界面后被反射,接收到回波信号后能得到超声波传播时间.根据其传播速度和传播时间计算出其传播距离,得到传感器到物体的距离.即,
(2-8)
其中 D--测量距离（m）
C--超声波的传输速度（m/s）
1.4 超声波测距优越性
位移测量是工业中经常遇到的一个问题.针对不同用途和要求(从测量范围、精度要求、测量条件等考虑),位移测量有多种测量技术：有机械的浮子方法；利用电阻、电感、电容的非电量电测量方法；有光学或激光测量方法；有利用放射性或射流技术的测位方法等,在本设计中采用的是超声波测量技术.超声波测位移有很多优点,与放射性技术相比不需防护；与目前的激光测距相比,超声技术虽在精度上略逊一筹,但比较简单、价格低廉；更重要的是在恶劣环境下,激光测距将受到严重干扰,此时超声测量的高精度就会体现出来.一般来说,超声波位移测量无须有运动的部件,所以在安装和维护上占有很大的优越性.超声波位移测量可以选用气体、液体或固体作为传声媒介,具有很大的适应性,因此,在测量要求比较特殊,一般测量方法无法采用时,可考虑采用超声测位移
超声波的研究历史可以追溯到上个世纪.1883年,Galton首先发现了超声波的存在,他当时的研究目的主要是探索人类所能感知的声谱范围.在Galton之后的三十年中,超声波仍然是一个鲜为人知的东西,由于当时电子技术发展缓慢,对超声波的研究造成了一定程度的影响.因此,当压电效应和磁致现象被发现后并没有应用于制造有效的超声设备.在第一次世界大战中,对超声的研究逐步受到重视.由于战争的需要,法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波.他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并可以进行水下的通信联络.
在我国,超声学的研究开始于二十世纪五十年代,1959年至1964年间我国建立了分子声学实验室,对驰豫吸收、悬浮体的声吸收等问题进行了深入的研究,设计生产了固体中超声衰减的测量设备,对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减的研究取得了令人兴奋的成果.同时在超声波探伤、加工、种子处理、显示、医疗等应用领域取得了可喜的成绩.表面波换能器的研究我国开始于1965年,于1970年开始了高频表面波的研究,1977年,我国研制成表面脉冲压缩滤波器.在80年代以后,我国的超声研究进入了一个全新的阶断,取得了一系列标志性成果,压电复合材料研制成功,窄脉冲短余振探头问世,PVDF高分子压电薄膜材料赶上并超过国际水平,高分子压电PVDF型换能器和超声显微镜的研究获得了实用,高频压电材料LiNb03研制成功.在应用方面,8超和A超医疗探头开始投入生产和医疗应用.超声显微镜投入应用.总的来说,我国在超声方面的研究在某些方面己走在了世界的前列.
近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向:
1、由定性的判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断,并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像;
2、向在线自动检测和仪器的智能化发展,其中非接触超声测试技术取得突破进展;
3、超声测试技术和材料的物性评价相结合,材料的设计、加工和工程应用迅速发展.
1.2 超声应用领域
超声在许多领域内比可听声的用途更加广泛,是基于以下儿个原因:
1、具有方向性,超声波的频率越高,则方向性越强.在无损探伤、水下声纳系统、超声测距系统中方向性是一个重要的考虑因素.
2、超声波的频率越高,则波长越短,波长可以小到与超声传播媒介材料尺寸相比更小的程度.在高分辨率探伤、微小厚度测量、高精度Mail距中,这一点相当重要.
3、超声是不可听声,这样就避免产生噪声,因而超声具有绿色特性.
在工业生产中,超声波被应用在金属材料和部分非金属材料探伤,钡口厚,以及超声振动切削加工、清洗、焊接等行业.以及进行物位、浓度、硬度、温度等检测.
超声波被广泛应用于医学领域,在诊断显像技术,血流测量计,胎儿检查仪,超声波洁牙器等医疗器械都是利用了超声波的特性.
在军事领域中,超声波用于雷达目标定位,武器制导等方面.
1.3 几种测距方法介绍
除超声波测距外,目前被广泛使用的还有核辐射测距、微波测距、光学测距等,下面对这几种测距方法进行介绍.
1.3.1 核辐射法
不同物质对同位素射线的吸收能力不同,一般固体最强,液体次之,气体最差.当射线射入厚度为H的介质时,会有一部分被介质吸收掉.透过介质的射线强度I与入射强度Io之间有如下关系:
(2-1)
式中,m为吸收系数,条件固定时为常数.
上式可变为
(2-2)
因此,测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现.
辐射式物位计既可进行连续测量,也可进行定点发送信号和进行控制.射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响,而且可以穿透各种介质,包括固体,因此能实现完全非接触测量.这些特点使得辐射式测距计适合于特殊场合或恶劣环境下的液位测量,如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量.但在使用时仍要注意控制剂量,作好防护,以防射线泄漏对人体造成伤害.
1.3.2 微波测量法
在电磁波谱中将波长为1~ l000mm 的电磁波称为微波.微波的特点是在各种障碍物上都能产生良好的反射,具有良好的定向辐射性能;在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小,具有很强的环境适应能力.
随着大规模集成电路技术和微处理技术的迅速发展,微波检测技术从长期停滞不前的原理性、实验性研究阶段,迅速进入工程实用和产业化阶段.有关厂商不断推出各种高性能的微波固体器件以及微波集成电路,不但使微波发射接受电路实现小型化,而且性能指标也有很大的提高,价格也有很大的下降.利用介质对微波的反射或吸收特性,微波检测技术在运动目标检测,目标物含水率检测,液位、料位检测等方面的应用愈来愈广泛.
调频物位测量计是由调频固态源产生等幅的无线电波,其振荡频率在时间上按调制信号呈周期性变化,设在某一瞬间频率为f0,由发射器射向测量对象,并由测量对象反射回来,经过接收器接收,输入混频器,在回波到达混频器的瞬间,固态源的振荡频率由于调制信号的作用,较回波频率己有了变化,设为f1,它继续不断地射向测量对象,并有一部分作为本振频率耦合到混频器与f1进行混频.这样,在混频器的输出端就产生了差频Δf,并且此差频与发射器和接收器离测量对象的距离L成正比,测量出Δf的大小也就可以计算得到距离L的数值.设调制信号波形为三角形,固态源初始频率为f0,则固态源频率变化规律为
(2-3)
式中,T为调制波周期, F为调制波频率,f0为固态源初始频率,f2为本振频率,Δf0为固态源调制信号1/2周期内的频偏范围,t为时间.回波频率为
(2-4)
式中,f1为回波频率,Δt为微波往返于被测对象之间的延迟时间,C为光速,L为被测距离,所以,差频频率Δf为
(2-5)
由上式整理得被测距离L为
(2-6)
从上式可以看出被测距离L与差频频率Δf成正比.当固态源的调制频率F和频偏Δf0一定时,只要测出Δf,就可以计算得到L.
当固态工作频偏Δf0=300MHz,调制频率F=1kHz时,代入式中可得
(2-7)
通过频率差计算出位置的变化.
1.3.3 光学测量法
激光用于液位测量,克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、单色性差、易受干扰等缺点,使测量精度大为提高.
激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成.工作方式有反射式和遮断式,在物位测量中两种方式都可使用,但一般只用作定点检测控制,不易进行连续测量.
1.3.4 超声测量法
超声波测距的基本原理是,由超声探头发出的超声脉冲信号,在空气中传播,遇到空气与物体的界面后被反射,接收到回波信号后能得到超声波传播时间.根据其传播速度和传播时间计算出其传播距离,得到传感器到物体的距离.即,
(2-8)
其中 D--测量距离（m）
C--超声波的传输速度（m/s）
1.4 超声波测距优越性
位移测量是工业中经常遇到的一个问题.针对不同用途和要求(从测量范围、精度要求、测量条件等考虑),位移测量有多种测量技术：有机械的浮子方法；利用电阻、电感、电容的非电量电测量方法；有光学或激光测量方法；有利用放射性或射流技术的测位方法等,在本设计中采用的是超声波测量技术.超声波测位移有很多优点,与放射性技术相比不需防护；与目前的激光测距相比,超声技术虽在精度上略逊一筹,但比较简单、价格低廉；更重要的是在恶劣环境下,激光测距将受到严重干扰,此时超声测量的高精度就会体现出来.一般来说,超声波位移测量无须有运动的部件,所以在安装和维护上占有很大的优越性.超声波位移测量可以选用气体、液体或固体作为传声媒介,具有很大的适应性,因此,在测量要求比较特殊,一般测量方法无法采用时,可考虑采用超声测位移