超声波传感器精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇超声波传感器范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

[关键词]超声波 传感器 疾病诊断 测距系统 液位测量

一、超声波传感器概述

1.超声波

声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

超声波的特点:(1)超声波在传播时,方向性强,能量易于集中;(2)超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离;(3)超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质产生效应)。

2.超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。 超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

二、超声波传感器的应用

1.超声波距离传感器技术的应用

超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。

2.超声波传感器在医学上的应用

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。

3.超声波传感器在测量液位的应用

超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

4.超声波传感器在测距系统中的应用

超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S=1/2vt。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。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

三、小结

文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发,讨论了超声波传感器的原理与特点,并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用。但是,超声波传感器也存在自身的不足,比如反射问题,噪声问题的等等。因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。

参考文献:

[1]单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.

[2]栗桂凤,周东辉,王光昕.基于超声波传感器的机器人环境探测系统.2005,(04).

[3]童敏明,唐守锋.检测与转换技术.中国矿业大学出版社.

篇(2)

关键词：智能小车；避障；超声波传感器

1 概述

机器人从最初的示范模仿机器人，到现在的具有感知能力的智能机器人，在技术上有了很大的进步[1-2]。随着机器人科学的发展，机器人已经应用到生活、娱乐、军事、医学等各个方面。其中智能避障小车就是应用于生活、娱乐军事等领域的产品。智能避障小车采用两轮或四轮驱动，行动灵活，操作方便，其避障系统能够在行进中对小车的前进方向进行调节，避免发生碰撞或摩擦[3]。目前智能小车在实现避障功能时，往往在前方安装两个及以上的超声波传感器，由于超声波以声波的形式传播，存在波束角，这会引起传感器之间的干扰，而且安装多个传感器也会占用多个串口资源。故设计出了一种在前端使用一个传感器的情况下任然能够精确避障的算法。

2 超声波测距原理

方法设计中使用HC-SR04超声波测距传感器，其使用方法简单，模块性能稳定，测度距离精确，普遍用于智能小车的避障系统中。超声波测距有相位探测法、渡越时间探测法和声波幅值探测法三种方法[4]。

渡越时间探测法，指的是超声波发生器往某个方向发射超声波，计时开始于发射的时间点，此后超声波沿直线传播，当超声波撞击到物体时就被反射回来，当超声波接收器接收到返回来的回波时计时停止。超传感器与物体之间的距离d可以由公式（2.1）得出，其中c为空气中超声波沿直线传播的速度，t为传感器测量的时间[5-6]。

但由于发射的超声波存在波束角，当障碍物偏离传感器一定角度时，传感器将检测不到障碍物，因此小车就可能与障碍物发生碰撞或摩擦。

3 避障距离计算

该设计基于两轮驱动的智能小车，计算出多个避障距离，最终选用最大的距离作为安全避障距离（以下均讨论临界状态）。小车的模型及传感器布置分别如图2所示。

安全距离R（或D）：

若小车在转弯时采用单轮转动的方法，则安全距离为小车的直径D，若是采用两个轮子反向同速转动，则安全距离为小车半径R。

安全距离d1：

由于传感器发出的超声波有波束角，可以测量角度为？兹的扇形范围内的障碍物，若小车的避障距离过近，在图3所示的情况中，即使前方有障碍物，传感器1也检测不到，所以需要提高避障距离。只有当障碍物的距离a大于小车的直径D时，小车才能安全通过，如图4所示，其中避障距离d1可根据公式3.1计算得出。

若车体距离障碍物等于d1时能检测到障碍物，则说明前方无法通过，需执行避障操作；若大于d1时检测到无障碍物，说明前方无障碍或可以通过障碍的间隙，可通过。

安全距离d2：

若执行避障操作，假设左转。存在以下两种情况：

情况1：若两轮反向同速转动，则左转后车体右侧与障碍物的仍为d1，如图5（a）所示。若传感器3检测到障碍物，则继续直行，若在前进时检测到右侧无障碍，则执行右转，通过障碍回到原始方向。

情况2：若单轮转动，则左转后车体右侧与障碍物的距离变为d1-R，如图5（b）所示。然后继续直行。若要在此之后再次右转回到原始方向，由于是单轮转动转弯，则障碍物间距a应大于等于D，在临界状态下，传感器3刚检测到障碍物时，如图6所示，可以得出a/2=D。

综上所述，若选择两轮反向同速转弯，则避障距离选择Max（R，d1）（即R和d1中的最大值）；若选择单轮转弯，由于安全距离d2恒大于安全距离d1，故避障距离选择Max（R，d2）；若采用差速转弯，避障距离仍可采用上述思路进行计算。

4 实验测试

基于以上的避障距离算法，设计了一款智能避障小车。小车直径为14cm，采用两轮反向同速转弯，HC-SR04超声波传感器的波束角为10°，计算得出安全距离d1=80cm，在障碍物如图7所示（其中 始终大于D）。a1为直行时障碍物的间离，a2为左转后车体右侧障碍物的间距。

由表中数据可以看出基于该设计的智能避障小车在有间距的障碍物情况下避障或通过的成功率远大于前端安装两个传感器的避障小车，有效的实现该设计避障小车的避障以及回到原方向的成功率。

5 结束语

文章采用三回路的HC-SR04超声波传感器对障碍物进行检测，在车体前方安装一个超声波传感器，节约了串口资源，并且能够在避障后回到原始的前进方向上，避免了由于避障导致的偏离方向。该设计仍存在局限性，如无法用于尺寸较大的智能避障小车。因此该方向仍有很大的提升空间。

参考文献

[1]杨莹.国内外机器人研究领域的知识计量[D].大连：大连理工大学管理科学与工程学院，2009：24-41.

[2]顾志华，戈惠梅，徐晓慧，等.基于多传感器的智能小车避障系统设计[J].南京师范大学学报，2014，14（1）：11.

[3]戈惠梅，徐晓慧，顾志华，等.基于Arduino的智能小车避障系统的设计[J].现代电子技术，2014，37（11）：118.

[4]渠笑纳.超声波测距在泊车辅助系统中的应用[D].大连理工大学，2010.

[5]潘元骁.基于Arduino的智能小车自动避障系统设计与研究[D].西安：长安大学，2015.

篇(3)

关键词：测距；超声波传感器；STM32； 1602显示屏

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0238-02

当今社会测距是很普遍也很重要的问题，许多场合下需要准确、迅速、实时的测距。例如盲人在行走的过程中，需要一个装置来检测前方有无障碍物，在距离障碍物距离过近的时候必须可以报警；又如汽车倒车的时候也需要检测车尾与车库的距离，在危险距离的时候可以报警，使车主可以及时刹车，避免发生事故；再如一些的门口也需要测距的装置，当有人靠近的时候，会发出警报，使该区域的安全性得到保障。目前，测距的方法很多，如红外检测具有造价低、安全性能好、制作简单等优点；缺点是检测精度低、实用性低。由于超声测距是一种非接触式检测，其抗干扰能力较强，如光源、气候对超声的干扰都比较小，相比于其他的技术更精确，更安全。同时，超声测距具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。基于这一现状，本设计选用超声波来检测距离。

1 系统的整体设计

针对上述问题，本出如下的设计：先由超声波传感器向正前方发射超声波，与此同时开始计时，超声波沿着前进的方向传播，由于超声波能感应到障碍物，因此传播过程中碰到障碍物就会立即朝反方向回传，这样超声波接收器就可以接收到因障碍物而回传的超声波，同时，计时停止。超声波在空气中的传播速度v，设传播时间为t，那么单程传播的为t/2，由距离（s）=速度（v）时间（t）/2，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s）。同时一方面将距离（s）由显示屏显示出来，让使用者能对前方有无障碍物一目了然，并且还能掌握障碍物与其的具体距离；另一方面，设置一个距离最小值，也成阈值，当障碍物的距离小于这个阈值的时候，单片机会给报警器发出报警信号，使报警器报警，让使用者能够迅速准确的做出应对措施。超声波测距原理如图1所示。

2 系统的硬件设计

2.1 硬件器件的x型

本设计的传感器选取的是非接触式的HC-SR04超声波测距模块，HC-SR04超声波测距模块使用成本低、抗干扰能力强并且准确性能好。单片机选取ARM系列最新、最先进构架的Cortex-M3内核的STM32，STM32不仅性能优越，而且价格便宜，所以本设计选取它作为主处理器。由于本设计的显示屏只需要显示距离信号，所以选取易于控制、成本低的1602显示屏。

2.2 硬件设计

硬件的组成可以分为两个部分：第一部分由超声波传感器以及STM32处理器组成，为检测部分，具体作用为：首先由STM32控制超声波发射器发射超声波，与此同时STM32控制定时器开始计时，由于超声波是沿着直线传播，当在前方遇见障碍物时，超声波会立即反射回来，当超声波传感器接收到超声波的时候STM32控制计时结束；第二部分由1602显示屏、报警电路组成，STM32检测计算出来的距离会由1602显示屏显示出来，当距离小于预先给STM32设定的阈值时，STM32会立即给报警电路发出报警信号，使蜂鸣器报警。报警部分由蜂鸣器和报警电路组成，报警电路如图3所示。

3 系统的软件设计

软件的设计主要是对STM32的编程，首先初始化串口和定时器，并且预先设置好阈值。接着给连接超声波传感器的IO口发出指令，开始发射超声波，并且由STM32控制定时器开始计数；接着实时监测超声波接收器有无信号的读取，若有，则说明前方有障碍物，定时器停止计数。取定时器的计数差值，由定时器计数的差值可以计算出共同的时间，而单向路程所需的时间为共同时间的一半，就可以计算出障碍物与超声波传感器的距离。同时还要将这个距离与预先设置好的阈值进行比较，若距离值小于阈值，则STM32会给报警电路发出报警信号，达到报警效果。

4 实验结果分析

随机选取不同的距离、不同材质的障碍物进行检测十次，每当达到检测范围的时候，显示屏每次都能准确的显示出障碍物的距离，并且当过度靠近障碍物的时候，蜂鸣器每次都会发出报警。结果表明本文设计的超声波测距系统能够准确的实现测距和报警的目的，满足当前市场的要求，同时制作简易，具有很好的发展和使用前景。

参考文献：

[1] 胡萍.超声波测距仪的研制[J].计算机与现代化，2003（10）：54-57.

篇(4)

【关键词】超声波 液位仪 MCU 微控制器 PCB

在通常的工业生产工程中，液位测量的目是通过液面高度的测量来确定容器里的原材料、半成品或者产品的，用以保证生产过长的各个环节物料平衡以及给进行经济核算提供可靠的依据。同时，在连续的生产过程中，为了维持正常生产、保证产品的质量和产量，以及保证安全生产。所以，液位的监测在工业生产过程中是相当重要的。测量液位的仪表主要分为接触式液位仪表与非接触式液位仪表两部分。而超声波液位仪表，由于其结构简单、造价地低廉，在近些年里得到了广泛的应用。

1 设计简述

所谓的超声波是指人类听不到的声波，一般人的听觉范围是20Hz～20kHz，超出这个范围的声波正常人是听不到的。通过声波在碰到液面后反弹回来的时间来计算当时液面具超声波传感器的距离，则液位公式为：

L为液面距超声波传感器的距离，c为超声波在空气中传播的速度，T为从声波发出到接收到回波的时间。

1.1 超声波液位仪系统结构

如图1-1所示，该超声波液位仪包括输入部分、输出部分以及控制部。

1.2 超声波液位仪系统工作原理

将该超声波传感器安装于待测容器的顶部，垂直于被测液面，当发出的超声波碰到被刺液体后回弹。这时一体化超声波传感器处于接受状态，等待接受反弹回来的超声波，通过超声波的发送到接收的时间来计算液面距容器顶端的距离。

1.2.1 液位测量与计算

系统工作时，单片机的定时器开始计时，同时通过单片机的I/O口发送一串频率为40kHz的信号，信号经过升压中周发放大后通过一体化超声波传感器发送出去。当单片机检测的回波信号时，停止定时器，并将定时器中的数值读出，根据系统的机器周期计算出超声波传播的时间T。

1.2.2 余波的处理

超声波探头将超声波脉冲发送完毕后，并不是立即停止的，而是逐渐衰减，这一段衰减过程中所发送的波被称作余波。

使用软件手段屏蔽掉了余波的干扰。通常收发一体化超声波传感器的余波衰减时间为2ms，因此，在程序中发送完40kHz波后，我们利用循环延时2ms，之后再开始让微处理器等待接收回波信号。而在延时的2ms内返回的超声波将被忽略，这样一来，我们将无法检测较近的距离，而这段无法被检测的距离就是本液位仪的工作盲区。

2 硬件电路设计

2.1 控制部分

控制部分利用STC89C52RC单片机作为主控制芯片，负责超声波输出控制、超声波回波信号接收处理、计算液面距超声波探头的距离、设置阀值输出报警以及控制显示部分输出相关信息。

2.2 I/O口分配

P3.0和P3.1可用于串口通信、程序烧写；而P1口则可以扩展外接其他拓展模块。

P3.6和P3.7口分别接CSBIN（超声波信号输入），用来接收回波通过处理后的有效电平信号；CSBOUT（超声波信号输出），用来输出脉冲信号，是超声波传感器发出40kHz波。

P0口连接LCD1602（液晶显示器）的数据口，P2.0～P2.2接LCD1602的三个控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。

P2.4～P2.6口分别接三个按键输入；P2.7口作为控制继电器的信号输出口，用于控制继电器的开、闭。

2.3 按键与继电器控制电路

按键、继电器控制电路，独立按键的按下将低电平引入单片机I/O口。而当KA为“0”时，PNP管导通，继电器线圈得电，触点动作。

这里选用PNP型三极管是因为单片机复位后，I/O口为高电平，如果使用NPN型三极管则会照成系统上电后继电器会闭合一下，这样对设备有害同时可能照成安全事故。

在继电器线圈的两端并入二极管DK1（1N4007）起到了对继电器的保护作用。

2.4 超声波信号发送及接收部分

发送部分电路主要用到了超声波专用中周变压器将单片机I/O口发出的激励脉冲升压后供给超声波探头，使其发送出与激励脉冲相同频率的超声波。接受部分的电路中用了NE5532高性能低噪声双运算放大器。由于NE5532的工作电压至少为6V时，才能稳定的工作，由于超声波是一个交流信号，D5的作用就是将负半周期的信号通过GND消除，只保留正信号。信号通过BG2放大后进入NE5532，又经过滤波放大、比例微分后输出。

3 软件设计

首先由单片机发出 50KHz 的脉冲串，每八个脉冲为一组，脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波换能器发出超声波，单片机在发送脉冲的同时开始计时；超声波遇到障碍物后的回波经过放大、转化等处理传回单片机，这样就得到了超声波在空气中的传输时间，然后在中断程序中根据测出的时间计算出距离。完成后发出下一组脉冲。利用定时器计算出采样时间，通过前后两次液位差值与前后两次检测的时间，可以算出液位增长的速度。

从实际产品的角度来看，本文设计的超声波测距仪还有需要进一步完善和改进的地方，主要表现在以下几个方面：

（1）由于温度对超声波的传播有一定的影响，所以如果加入温度传感器，测得储蓄罐内的温度，在通过所得的温度对超声波进行温度补偿，这样能提高仪表的精确度。

（2）为了使超声波液位计能够检测到从较远处反射回来的超声波，需要进一步完善修改硬件电路，提高硬件电路的抗干扰能力和对微弱信号的放大倍数，提高超声波液位计的测量范围和测量的精度。

（3）如果将本设计中的仪表用于工业控制上，可能出现问题，比如，现在的工业控制基本上是现场和人员分离的，为了方便使用，在本设计余留的I/O接口上可以接上无线模块，和模块间的通信尽量使用SPI，因为这样不占用串口资源，而串口这可以用来和上位机通信。

篇(5)

关键词：桥梁；健康监测；超声波；传感器；钢筋；多源识别

中图分类号：TU112.7 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）06-0143-04

1 前言

一直以来政府和公众都对桥梁的健康安全状况给予高度关注，如今无论国内还是国外的诸多桥梁都存在不同的安全隐患。在中国，桥梁的建设速度受到质量控制滞后的制约，每年均有桥梁倒塌事故的发生，造成难以挽回的重大的人员伤亡和经济损失。自1985年起，不同规模的桥梁健康监测系统开始在国外出现并运行。20世纪90年代起我国也开始在某些大型的桥梁上安装规模各异的桥梁安全监测系统，例如香港汲水门大桥，青马大桥和汀九大桥，内地的江阴长江大桥和上海徐浦大桥等。

2 桥梁健康监测技术现状分析

针对振动模态分析技术，当前国内外在桥梁健康监测系统的提出和应用方面获得的主要成果是：通过进行强迫桥梁振动的试验，判断出局部结构发展对模态参数的影响。根据可变荷载、恒荷载，以及支承地基对桥梁健康状态的影响，验证了在桥梁健康自动监测中使用环境振动法的可行性；通过获取数据对计算模型进行修正，根据振型、频率、振型曲率、应变振型等改变量，开发出不同类型的定位技术和损伤检测技术；在数据处理上主要有MAC法、COMAC法、柔度矩阵法、矩阵摄动修正法、非线性迭代法以及神经元网络法等。这些方法在一定范围内能够发挥较为积极的效果，但随着桥梁健康监测系统的不断研发存在一系列问题：如未能实现最优点传感器的铺设，且抗干扰性差，易受外界环境的影响；噪声、风雨的干扰导致收集到的数据存在较大误差，从而使数据处理的难度大大提高；未能实现桥梁病害的自动识别。

笔者针对这些问题，提出了超声波传感器在桥梁监测中的应用，解决了传感器铺设时寻求最优点的问题，提高了传感器的成活率，同时针对超声波传感器收集到的数据建立了简单易行的数据处理及多源识别系统。

3 超声波传感器的工作原理及监测可行性

应用超声波技术监测桥梁内部的钢筋健康状况的超声波监测法属于无损监测。超声波监测法对桥梁构件进行宏观缺陷检测并进而就构件的变形损伤进行评价。桥梁服役期间，由于荷载风雨雪等的影响所有结构构件都会面临程度不同的累积损伤，通过无损检测技术方法的应用可以获得桥梁结构构件的内部钢筋的健康状态信息，从而与原始状态的钢筋进行对比，以判断累积损伤对钢筋结构的改变。

超声波监测法是一种不受光照温度电磁场的非接触式测量方法，已被广泛用于医学监测、高精密仪器的监测、军事导航等领域。超声波是一种高于20kHz的机械振动，能量集中，指向性好，有较强的穿透本领，在遇到两种介质的分界面时会产生类似光波的反射折射现象。因此对钢筋混凝土构件发射超声波，收集对面接收器收集的时间数据，经过数据处理可形成构件内部钢筋的立体形态，从而分析其破坏程度，监测其服役情况，及时做好防御，整治工作。

超声波监测系统由超声波发射器，超声波接收器，数据采集控制站，数据处理模块组成。超声波发射器即超生波电源，其功能是用来制造超声频电能同时为超声换能器装置提供电源。超声波接收器的工作原理是指传感器接收声信号，传感器一般都是压电陶瓷，声波信号达到压电陶瓷上，一旦有机械振动，压电陶瓷能灵敏的将这一机械振动转换为电信号，这样就能实现了超声信号的监测。压电陶瓷通过特殊的工艺和切割，有一固定的谐振频率和带宽，也就是每一片压电陶瓷都有其对某一频率最为敏感，且有一定的带宽，所以能制作出不同峰值频率和带宽的传感器，以适应不同的监测要求。

桥梁的主要材料为钢筋混凝土，在钢筋混凝土结构构件中，钢筋达到屈服时会产生很大的塑性变形，构件会出现较大的变形和过宽的裂缝，以致无法满足正常使用的要求。钢筋按其力学性能的不同可分为有明显屈服点的钢筋即软钢和没有明显屈服点的钢筋即硬钢，其应力一应变关系如图1所示。

由图1可知当钢筋承受较大的应力发生破坏时会产生较大的变形，钢筋铺设在混凝土内部，钢筋的密度与混凝土的密度差很大，超声波在其中传播的速度会发生改变，从而导致接收到超声波的时间发生变化。故可通过超声波传感器监测桥梁中钢筋的变形来实现对桥梁钢筋混凝土结构构件的健康监测。

4 超声波健康监测工作流程

4.1 传感器的工作程序及安装方式

根据监测的需要设计安装沟槽。读取图纸中钢筋混凝土中的受力钢筋的位置，在其平行部位预留沟槽。桥梁跨度较大时，分段进行。沟槽的宽度根据超声波发射器及超声波接收器的大小设计。沟槽要求光滑平整不影响传感器的正常工作。健康监测系统传感器工作程序如图2。

在桥梁上的沟槽上安装滑轮小车（自动化且能远程指挥），将超声波传感器分别安装在每一段上的滑轮小车上，使其在沟槽内能够按照已经设计好的运行轨道移动，从而用较少的传感器实现对桥梁内部钢筋结构的全面监测。对小车及所监测的钢筋及所在轨道进行编号（表1），并根据实际情况与要求设定各个小车的运行周期。

图3中，M′、N′、M″、N″分别为所设沟槽；P是安装超声波发射器的遥控小车所在位置；Q是安装超声波接收器的遥控小车所在位置，在仪器运行阶段PQ的连线必须与钢筋所在直线MN保持垂直。将接收到的数据传送到数据存储器中，并进行数据处理。

4.2 数据存储

采用二元数组的形式对数据进行存储（表2和表3）。

4.3 数据处理及多源识别

在进行调试时，根据钢筋混凝土试件的不同，桥梁所处的不同环境，选择不同峰值频率和带宽的传感器，以适应不同的监测要求。

采集到的数据均是超声波的传递时间（t1，t2，t3，…，tn），分别就理想状态与试验状态的数据模型进行分析。

（1）理想状态（假设钢筋混凝土构件内部的混凝土搅拌绝对均匀，1dm2验小块的密度能够保持一致性）。

桥梁建成未运营时：采集原始数据组（t1，t2，t3，…，fn）则有（t1=t2=t3=…=tn），安装超声波接收器的遥控小车从M′运行到N′视为一个运行周期，通过一元一次方程模拟的钢筋状态示意图（图4）。

钢筋发生一定程度的弯折时：采集数据组（t1，t2，t3，……tn……）则有（t1=t2=t3，t34不等于t35但连续变化……），并与原始数据组进行比较，通过一元一次方程模拟的钢筋状态示意图（图5）。

由图4、5可知，有一段钢筋发生了弯折，且根据小车在第t3，t4时刻所在的位置，估测出钢筋的形变位置。

（2）试验状态（钢筋混凝土构件内部的混凝土搅拌达不到绝对均匀，1dm3的试验小块的密度有轻微差别）。桥梁建成未运营时：采集原始数据组（t1，t2，t3，……tn……）则有（t1，t2，t3，……tn……不相等但呈现连续性变化），装超声波接收器的遥控小车从M′运行到N′视为一个运行周期，通过一元一次方程模拟的钢筋变形状态如图6。

将基础数据保存在数据库中，同时监测各种破坏的破坏形式从而形成图像，建立破坏时的数据库形成各种破坏模型。监测运营后的桥梁情况与真实的初始数据进行比较，建立如图7的比较图像。

当监测识别存在偏差时，与各种破坏的破坏图像比较，寻求相似度接近度最高的模型，从而分析桥梁的实际变形，做出正确的损伤判断。

上述方法仅能监测钢筋的上下变形，通过安装多传感器即在构件的上下位置同时安装一套仪器，实现对钢筋的前后变形监测，通过对两组数据的合成，实现钢筋的三维立体实测图像，如图8、9所示。

与单一超声波系统比较，采用多传感器监测的健康系统能够实现更加立体和全方位的监测视角，提高健康诊断的准确性和可靠性，得到精确的目标距离方位信息。

4.4 超声波健康监测系统的优势

主要优势体现在以下几点：铺设在桥梁结构的外部，便于安装维修；不用寻求一般传感器的最优铺设位置，通过沟槽的设计，能够实现对桥梁内部钢筋的全面监测。且对混凝土结构无损伤；使用时受外界噪声影响较小，得到的数据精确度更高，提高了数据的利用率，降低了数据处理的难度；超声波技术基于传感器原理，可以进行多源数据的扩充和信息系统处理能力的进一步提高，为桥梁健康监测提供了基础技术支撑平台。

篇(6)

关键词：ZigBee；停车场管理；嵌入式；无线传感网

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）03-0018-04

0 引 言

随着我国城市现代化、国际化的发展，城市居民汽车拥有量急剧增加，车辆的管理控制也显得越发重要[1]。在拥挤的市区里，汽车与停车位之间的矛盾越来越突出[2]。对于各类停车场控制管理也有着更高的要求，不仅要求可以实现对车辆的收费和停泊管理，而且要求车辆进出都可以快速进行，缩短停车时在出入口的平均逗留时间，提高停车效率。为了提高停车场的信息化、智能化管理水平，给车主提供一种更加安全、舒适、方便、快捷和开放的环境，实现停车场运行的高效化、节能化、环保化，本文设计了一套基于ZigBee网络的停车场管理系统。

1 系统硬件设计

当停车者根据点阵屏上显示的车位信息进入停车场时，按键，射频卡自动弹出，内部自动进行第一次刷卡，系统记住刷卡时间。车位信息由ZigBee系统采集与传输。终端节点将采集到的车位信息通过路由器发送给协调器，协调器处理之后，通过串口发送给LED点阵控制器，最终LED控制器控制点阵显示停车场车位信息。当司机离开停车场时再次刷卡，系统通过两次刷卡的时间差与标准计费对比进行收费。

本系统主要由三部分组成：第一部分是无线传感网络，它由ZigBee协调器、路由器以及带有超声波传感器的终端节点组成；第二部分是射频计费，由S3C2440和MFRC522射频模块组成；第三部分是信息显示系统，由AVR单片机和点阵显示屏组成。图1所示是系统的设计结构图。

ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW。在通信状态下，ZigBee终端耗电为几十毫瓦；在省电模式下，耗电仅仅几十微瓦。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间[3]。在本设计中，终端节点采用中断唤醒睡眠模式。当超声波传感器的电平不发生变化时，CC2430处于休眠模式[4]；当超声波传感器的电平跳变时，51单片机发信号唤醒CC2430工作。这样，本设计在功耗方面可以降到最低，这也是本设计采用ZigBee网络的主要理由。

ZigBee无线网络是本设计的主要部分。整个系统通过ZigBee无线网络采集与无线传输超声波传感器实时对车位是否被车辆占用发送监测信息。最后由协调器发往监控中心，在LED点阵显示屏显示车位剩余信息以及空车位所在的具置。理论上每个ZigBee协调器可容纳65 000多个节点[5]，而且随着停车场大型化趋势的发展，可以通过增加路由器对大型停车场的节点进行分区管理，一个协调器放在监控中心对几个分区进行监控。

本设计中的终端节点由CC2430模块、超声波传感器与51单片机组成。超声波传感器的发送和接收端与51单片机的P1.0和P3.2相连，51单片机信息输出端再与CC2430模块的中断接口相连。图2所示是终端节点的连线图。

将终端节点放置在停车场车位下部。超声波传感器在未检测到障碍物时，输出端发送的是连续的高电平；检测到障碍物时，输出端发送低电平；当检测到障碍物稳定时，超声波传感器持续输出低电平。由于一般轿车底盘是20～50 cm，可以在软件程序里设置超声波传感器的检测距离来判断车位是否有汽车存在。超声波传感器实时工作，当输出端有电平跳变时触发51单片机，当电平跳变到一个值趋于稳定时，说明该车位的车位信息就会变化，51单片机将信息发送给CC2430。终端节点通过以上过程采集车位信息，终端节点采集到的车位信息通过路由器传给协调器。协调器把采集到的车位信息进行分析与处理，发送给点阵显示屏的控制器。协调器通过串口与点阵显示屏的控制器相连。点阵屏将车位信息实时显示，以文字与标号结合的方式为停车者提供参考。

射频计费部分采用的是S3C2440和MFRC522模块组成的刷卡计费器。主控芯片使用S3C2440处理器，它是一款32位的高速处理器，能够实现数据的快速处理与传输。它主要有以下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；大量使用寄存器，指令执行速度更快；寻址方式灵活简单，执行效率高 [6]。本设计选用非接触型IC卡，即射频IC卡。射频IC卡避免了接触型IC卡与读卡器之间的物理接触，减少了卡的磨损[7]，故本设计采用PHILIPS公司的Mifare1卡和本射频卡配套的MFRC522芯片。由于MFRC522兼容SPI的通信方式，本设计在S3C2440上模拟了SPI的接口供其与MFRC522通信，在SPI通信中MFRC522模块用作从机。SPI时钟SCK由主机产生。数据通过MOSI线从主机传输到从机；数据通过MISO线从MFRC522发回到主机。

本设计采用AVR单片机控制LED点阵显示屏。因为AVR单片机处理指令的速度比其他单片机较快，抗干扰能力相对较强，作为点阵显示屏的控制器，可以显示比较好的效果，所以，本设计使用AVR ATmega16单片机为LED点阵控制器。点阵显示屏可以直观地将停车场的车位信息显示，为停车者提供参考，供停车者快速便捷地停车，节省大量时间。

2 系统软件设计

ZigBee通信协议采用分层结构，节点通过在不同层上的特定服务来完成所要执行的各种任务。本设计采用TI公司提供的ZigBee 2006 Z-Stack协议栈[8]，其在IEEE 802.15.4标准物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）基础上增加了网络层、应用层和安全服务规范[9]，是一种较好的无线传感网络组建方案。ZigBee设备类型按网络功能分为三种：协调器、路由节点和终端节点。

ZigBee网络是由协调器建立的，任何一个节点想建立一个网络必须满足两个条件：第一，节点是具有协调器功能的全功能设备（FFD）节点[10]；第二，节点没有和其他网络连接，一个网络只允许有唯一一个协调器，如果此节点与其他网络连接，那么此节点只能作为该网络的子节点，而不能建立自己的网络了。

协调器是整个ZigBee网络的核心，它也是网络的第一个设备[11]。它主要负责网络的建立、节点成员的加入、网络地址分配、网络链接表的更新、信息的收集与转发等。此外，在本设计中协调器通过串口与AVR单片机模块进行通信，因此需要在协议栈中编写ZigBee串口应用程序。图3为ZigBee无线网络搭建流程图。

ZigBee路由节点在本设计中主要实现路由传输终端节点数据信息功能，所以程序设计相比协调器和终端节点较简单。

终端节点主要负责车位信息采集与发送。终端节点实时采集各个传感器的输出车位信息，并将车位信息通过无线网络发送给协调器；同时也实时准备接收协调器发送的控制命令，收到控制命令执行相应的操作。所以终端节点的软件设计主要包括无线网络的加入、传感器数据采集、无线数据的发送和接收。

本设计中分配给每个终端节点不同的物理地址，将物理地址作为判断该终端节点所在的车位是否有汽车的依据。当车位被占时，将该车位终端节点的物理地址的后两位“XX”（XX代表每个终端节点的物理地址的后两位）发送到协调器；当车位空时，车位终端节点发送“00”到协调器。协调器将收到的车位信息通过串口发送到单片机，存储到单片机的串口存储缓冲器中，点阵显示判断程序通过判断存储缓冲器的数据，进行相应的车位信息显示。

3 实验结果

终端节点是由CC2430、51单片机和超声波传感器为一体的采集节点组成的。由于一般的轿车底盘是20～50 cm，通过在程序里设置超声波传感器的检测距离来检测车位是否有车。当车位被占时，超声波传感器采集到低电平发送给CC2430；当车位空着时，超声波传感器采集到高电平发送给CC2430。系统通过电平差来判断车位是否有车的存在。本设计中车位1的终端节点的后两位的物理地址为20，车位2的终端节点的后两位的物理地址为40。由于采用两个终端节点，每次两个节点的车位信息一起发送，即四位一起。图4所示是两个节点发送车位占满与全空的示意图。 当终端节点采集到车位1和车位2都被占时发送“2040” ； 当终端节点采集到两车位都空着的信息时，协调器发送“0000”。

图5所示是车位有一个被占时的界面示意图。当终端节点采集到车位2空着，车位1被占时发送“2000”； 当终端节点采集到车位1空着，车位2被占时发送“0040”。

4 结 语

本设计综合了ZigBee无线网络的优点，设计了一套基于ZigBee无线网络的停车场管理系统，该系统能够准确地判断车位信息，并用LED点阵屏显示位信息，以引导停车者快速、便捷地停车。本设计能够有效地克服大型停车场布线难的问题，同时节省成本，同时，ZigBee通过功放可在低功耗的条件下实现1 000 m以上的通信距离，在停车场中基本可实现全覆盖。但是，本设计还有一些不足，比如超声波传感器的能耗问题，还有加入更多的终端节点该怎么判断等问题。因此，以后还需要进一步研究，以让本设计更充分体现它的价值作用。

参 考 文 献

[1]陈榕.停车场管理系统的设计与实现[J].科技创新导报，2009（23）：181-183.

[2]曹建军，史忠科，宋蕾.小区停车场智能管理系统设计[J].计算机工程与应用，2009，45（5）：214-217.

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]杨登强，王玉杰.基于ZigBee技术的智能停车场系统研究[J].物联网技术，2012，2（8）：44-47.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[6]马志晶（译）.S3C2440A中文手册[R].2007.

[7] FINKENZELLER Klaus.射频识别技术[M].北京：电子工业出版社，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)

关键词 钻井仪表；泥浆体积测量；体积传感器

中图分类号TE92 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）47-0144-02

0 引言

随油层开发难度的增大以及出于对油气层的保护，钻井作业中常采用欠平衡等工程保护措施；为确保欠平衡钻井作业的安全高效，对钻井工程仪表中泥浆体积监测提出了更高的要求。在体积检测手段上有M/D TOTCO 的MD WACTH和国内VDX VentureDynamix等一些成熟的钻井仪表技术。

泥浆体积监测是物位测量的一种，精度上依赖于传感器的性能；许多新型体积测量传感器随计算机、雷达等新技术的应用而得以推广。按照测量方式的不同可分为接触式与非接触式传感器两种类型。

1 接触式传感器简介

接触式传感器与测量介质接触；按照测量原理又分为浮力式、静压式、电容式几种；其中恒浮力式传感器具有结构简单、维护方便等优点，成为钻井生产中广泛应用的一种测量方式。

浮子式液位传感器采用磁性浮子和装有磁敏元件的非磁性管子的方式测量，如图1所示；管内的磁敏元件在磁性浮子中磁力线的作用下连通；磁力消失，触点断开；根据接通触点的位置，可以换算出液面的高度，再根据罐截面积就能计算出罐内的泥浆体积了。

根据磁敏元件的使用，可分为干簧管式、霍尔元件式、磁致伸缩式几种浮子传感器。

1.1 干簧管式浮子传感器

干簧管是干式舌簧管的简称，是一种有触点的无源电子开关元件，如图2所示；其外壳一般是一根密封的玻璃管，管中装有两个铁质的弹性簧片，还灌有一种叫金属铑的惰性气体。

干簧式传感器具有结构简单，价格便宜，便于控制等优点；但其缺点也是比较明显的，易碎、触点磁化不分离等。

1.2 霍尔元件式浮子传感器

霍尔元件式浮子传感器采用类似于三极管或集成电路封装的感应器件；这种封装的传感器件具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、响应频率高（可达1MHz）、耐震等优点，随封装成本的降低，霍尔元件式浮子传感器感正成为干簧管传感器的替代者。霍尔元件如图3所示。

2 非接触式传感器简介

非接触式传感器不与测量介质接触；传感器种类主要有微波雷达、光导和超声波等几种。其特点是使用声波、光波、电磁射线等方式来测量，拆装方便，精度高。

2.1 超声波物位计

超声波是机械波的一种，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中超声波物位计主要采用纵波测量。

2.1.1 检测原理

超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。原理如图4所示。

2.1.2 计算方法

考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。计算公式为：

V=331.5+0.607T （1）

式中：V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。

S=V ×t/2=V×（t1-t0）/2 （2）

式中：S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。

2.1.3 超声波传感器的特点

超声波传感器应用起来原理简单，安装方便，成本也很低。但易受环境噪音、水汽、液面泡沫的影响，造成体积测量中出现测量值出现较大的跳动。

2.2 微波物位计

微波技术测量原理类同与超声波测量；简单区分，微波是利用电磁波来测量，超声波是利用声波来测量。微波测量也称为雷达测量，雷达信息通过发射器、发射天线、目标、接收天线和接收器组成的通道发射和接收。发射器以波束形式发射高频电磁波，经泥浆液面反射后，部分电磁波到达雷接收器，计算方式也类同与超声波。

3 结论

非接触式变送器刚进入市场时，曾被寄予过高的期望，实用中发现局限性也很大；与接触式传感器比具有精度高、测程远、全天候等特点，但也有明显的劣势：测量靶心大，易受罐内搅拌器、盘管、海底阀以及液体泡沫等障碍物的影响。随着计算机软件、超声波、雷达等新技术的应用研究，超声波液位计在钻井现场会得到越来越广泛的应用，是一种较有前途的测量方法。

参考文献

[1]张秀菊，龙晓林.开关型霍尔传感器的应用[J].电子世界，2002(4)：35-36.