超声波测距实验

超声波测距实验
一、 实验目的
1、 了解超声波的产生及其在介质中的传播特性
2、 了解超声波传感器基本结构及其工作原理
3、 了解超声波传感器测距系统的组成及测量电路的基本原理
二、 基本原理
1、 超声波传感器工作原理：本实验采用的是压电式超声波传感器，主要由超声波发射器（或称
发射探头）和超声波接收器（或称接探头）两部分组成，结构如图6.1 所示。探头都是利用
压电材料（如石英、压电陶瓷等）的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转
换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超
声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

图6.1 超声波传感器结构示意图
2、 超声波传感器测距原理：如图6.2 所示：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
反射的波就立即停止计时。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ts，
就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340ts/2=170 ts。
3、 本实验中应用的R/T40 系列传感器工作过程：从两个引脚输入40KHz 的脉冲信号，通过其
内部的陶瓷片激励器和谐振片转换成机械振动量，经锥形辐射口被工件反射回来，接收端收
到40KHz 的反射信号，使谐振片产生谐振，通过内部转换成一电信号，用于反应被测量的大
小或控制各种电气设备。
4、 R/T40 系列传感器所用测量电路如图6.2 所示：定时器每隔固定时间间隔T (T t ) 0 0 s >> 发出
一个脉冲，控制R/T40 传感器发射超声波，超声波接收器将接收到的脉冲进行放大、整形、然后经触发器得到一定宽度的脉冲信号，再利用计数器即可记录下脉冲个数Ns，来反映发射
信号与接收信号之间的时间差ts。
三、需用器件与单元
超声波传感器实验模板、超声波发射/接收器件、反射挡板、数显表、±15V 电源。
四、实验方法、内容与步骤
（一） 实验设备的安装与调试
1、 将主控箱上的±15V 电源接入超声波实验模块。
2、 将超声波实验模板与三源板侧边靠紧放置，且模板一面与三源板侧边基准零点对齐。
3、 将被测工件反射挡板与三源板侧边垂直放置，且设工件起始测量位置在30mm处。
（二） 实验数据的读取
1、 以三源板侧边为基准，平行移动反射挡板，依次递增2cm，读出数显表上的脉冲数Ns，填写
表6.1。
表6.1 超声波传感器显示值Ns 与距离X 之间的关系表

根据表6.1 数据：
① 画出Ns—X 曲线；
② 确定测量的线性范围；
③ 以端点连线法确定灵敏度S 及线性度δ的大小。
五、思考题
1、 调节反射挡板的角度分别为10°、50°，重复一下上述实验（只测量一组数据即可），体会
超声波传感器是否可用于角度测量？
2、 超声波传感器的线性测量范围为多少？若实际距离过小或过大，则测量误差增大还是减小?