声波传感器（共7篇）
声波传感器 篇1
随着自动化等新技术的发展, 传感器的使用数量越来越大, 一切现代化仪器、设备都离不开传感器。在工业生产中, 尤其是自动化生产过程中, 用各种传感器来监测和控制生产过程中的各个参数, 如温度、压力、流量, 等等, 以便使设备工作在最佳状态, 产品达到最好的质量。
20 世纪中叶, 人们发现某些介质的晶体 (如石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等) 在高电压窄脉冲作用下, 能产生较大功率的超声波。它与可闻声波不同, 可以被聚焦, 能用于集成电路的焊接、显像管内部的清洗。现在超声波的应用已经渗透到我们生活中的许多领域, 例如B超、遥控、防盗、无损探伤, 等等, 为人类的生活带来极大的便利。
1 超声波传感器的工作原理
超声波是指频率高于20KH z的机械波。为了以超声波作为检测手段, 必须产生超生波和接收超声波。超声波传感器是一种可逆换能器, 利用晶体的压电效应和电致伸缩效应, 将机械能与电能相互转换, 实现对各种参量的测量。
目前常用的是压电式超声波发生器, 它是利用压电晶体的谐振来工作的, 该传感器有两个压电晶片和一个共振板, 当其两极外加脉冲信号, 且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, 将迫使压电晶片振动, 将机械能转换为电信号, 这时它就成为超声波接收器。
2 超声波传感器的应用
超声波传感器具有成本低、安装维护方便、体积小、可实现非接触测量, 同时不易受电磁、烟雾、光线、被测对象颜色等影响, 能实现在黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰和有毒等环境下工作, 因此在工业领域得到广泛的应用。
本文结合超声波传感器的工作原理, 简单论述了超声波在测井仪、自动焊缝跟踪、液位测量、液体浓度检测等方面的应用。
2.1 超声波传感器在测井仪中的应用
煤矿立井往往是采用钻井法施工, 在施工过程中可以对已成井控的半径, 井斜进行测量, 然后根据测量结果来确定井孔的偏斜程度及井壁有无塌方、缩径等现象, 并且及时采取措施, 保证成井井筒质量。对井径、井斜进行测量的方法一般有灯光测量法、重锤打印测量法、机械测井仪测量法和超声波测量法等。前两种测量方法测量精度低, 不能连续测量, 无法测出井径, 日前主要采用后两种测量方法。超声波井径、井斜测量具有测量精度高, 使用方便, 测量结果直观等特点, 它是种非接触式的检测方式。与其它方法相比, 它不受光线、被测对象颜色等影响对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有较强适应能力。
2.2 超声波在测量液位中的应用
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液体中传播, 遇到空气与液体的界面后被反射, 接收到回波信号后根据超声波的往返时间就可以推算出距离或液位高度, 这种利用超声波进行测量的方法相比其它测量方法有很多优点:不需要任何机械传动部件, 无需接触被测液体, 不怕电磁干扰, 属于非接触式测量。因此性能稳定, 可靠性高, 寿命长, 响应时间短, 可以方便地实现无滞后的实时测量。
2.3 超声波自动焊缝跟踪
由于超声波传感器具有不受弧光和强电磁十扰、对检测物体表面起伏变化敏感、性价比高、可穿透烟尘等优点, 近年来在焊缝跟踪中得到了一定的应用。
用超声波传感器跟踪波纹板的一个波纹周期, 对输出信号进行快速傅立叶变换和巴特沃兹滤波后, 求出波纹板槽面与斜边交接处的折弯位置, 实现了波纹板折线焊缝自动跟踪。
2.4 超声波液体浓度检测
超声波液体浓度检测原理是基于超声波在液体中传播速度与液体浓度和温度之间存在着函数关系。根据声学原理, 液体中超声波传播的速度是液体弹性模量和密度的函数, 超声波的速度随液体弹性模量或密度而变, 同时也是溶液质量浓度和温度的函数。因此只要在不同温度下测得超声波的传导速度, 即可求出液体的质量浓度。
3 超声波传感器的发展趋势
超声波传感器作为典型的非接触检测技术, 同时具有体积小、成木低, 不受电磁、光线、烟雾等干扰的优点, 具有广阔的发展前景。以上综合分析了超声波传感器在工业几个典型方面的应用, 以下对超声波传感器的发展趋势做简单展望:
一是智能化、数字化, 新型超声波传感器应用于调整、适应不同的测量距离, 输出的信号有多种类型, 使得应用更加灵活。
二是多种传感器融合技术, 随着工业现场对传感器的检测精度和可靠性要求越来越高, 多种传感器 (如激光测距、红外线等) 与超声波传感器冗余结合使用, 充分发挥各自的优势, 提高传感器的总体性能, 也将成为超声波传感器的一个发展趋势。
4 总结
本文简要介绍了超声波的工作原理, 结合超声波传感器的特征, 给出了超声波传感器的在工业方面的几种典型应用, 并对传感器的发展趋势作了简单的展望。为今后对超声波传感器的进一步学习和研究提供一定的参考价值和实用价值。
摘要：本文简要介绍了超声波的工作原理、特点, 并分析了超声波传感器在工业的几个典型方面如测井仪、自动焊缝跟踪、液位测量、液体浓度检测等方面的应用。最后, 对超声波的发展趋势做了展望。
关键词：超声波传感器,原理,应用
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探究超声波传感器及其应用 篇2
一、超声波传感器概况
1.1超声波及其原理
物体机械振动状态的传播形式就是声波,而超声波主要是指声波频率在20000Hz以上的声波形式。由于这种声波每秒钟的振动频率较高,因此大大超出了人耳所能承受的听觉范围。超声波按照其在机械振荡过程中的不同表现形式,可将其分为纵向与横向两种振荡波[1]。而在我国现阶段的工业实践中,主要应用的是纵向振荡波,与可听声波相比,超声波具有独特的传播特征,其衍射能力较强,而且在均匀的传播介质中可以进行直线传播。一般情况下,在同等强度条件下,声波的频率与功率具有正相关性,声波频率越大,其传波的功率就越大。因为超声波要比一般声波频率更大,所以其在运行传播时的功率也较大。由于超声波具有诸多优点,因此在不同环境下得到了广泛应用与实践。
1.2超声波传感器的特点
超声波传感器是利用超声波的上述优点研制而成的一种数字传感器,以超声技术为核心、超声传感装置为载体,进行超声波传输与接收。通常情况下,超声波传感器又称为超声换能器及超声探头。超声波探头主要由压电晶片构成,其不但可以接收超声波,而且可以发射超声波。因此在超声探头中,核心运作组件就是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。这种压电晶片通过具有磁致伸缩作用的镍铁铝合金材料与具有电致伸缩作用的压电晶片材料制成。采用压电晶体材料构成的超声波传感器是具有可逆功能的一种数字化传感器,在其运行过程中可将机械设备的电能转化为机械能,从而在不同能量转化过程中产生超声波。与此同时,超声波传感器可接收超声波,从而将机械能转化为电能[2]。因此,按照超声波传感器的实际工作运行原理,可将其分为超声波接收器与超声波传输器。
二、超声波传感器的具体应用分析
首先,超声波传感器可在远距离传输过程中得到运用。通过上述分析可知,超声波传感器主要由处理单元模块及超声换能单元模块、输出单元模块所组成。在具体应用过程中,处理单元模块可对超声换能器进行电压激励,从而使经过激励后的电压以脉冲形式发出电磁波。随之,超声换能器转入接收状态,处理单元模块对接收到的超声波脉冲进行科学分析,以此判断其接收到的信号是否是超声波的回声[3]。如果经过核实,其所接收到的信号是超声波回声,则对超声波的声波传输时间进行测量分析,按照行程测算结果,对反超声波的行程时间进行测算分析。在具体应用过程中,可将超声波传感装置安装于适当位置,并对被测物体变化方向发射的超声波进行分析,就可测量物体表面与超声波传感器之间的实际距离。
其次,超声波传感器可在医学领域进行广泛应用。目前,超声波在医学领域中的实践应用,主要体现在患者临床疾病诊断方面。随着这项技术不断成熟,超声波传感器诊断已成为我国现阶段医学领域中的一种重要诊断方式。在实际运用过程中,利用超声波进行疾病诊断的主要优点是受检者无明显的疾病痛苦,而且实践操作过程非常简单、无损害、无创伤,诊断过程中有较为清晰的显像,尤其是诊断精确率较高。
另外,超声传感器在测量液位中具有重要作用。在液位测量过程中,超声波的使用原理是,通过超声波探头发出超声脉冲信号,其在空气中进行广泛传播。当传播过程中遇到空气与液面之后,就会被被测液体的液面反射回来,此时技术测量人员可根据反射回的信号测算时间与距离,从而得到液面实际高度。在液面测量中,超声波传感器测量技术属于非接触式测量,因此测量过程中电磁干扰小、不易受到刺激性液体腐蚀,且测量结果稳定,设备使用寿命较长。
除此之外,超声波传感器可在测距系统中得到应用实践。采用超声波传感器进行距离测算,不但可以科学测量设备输出脉冲的宽度,而且可以测量脉冲波的具体运行时间。因此,测量精度较高,并可对测量结果与测量过程进行修正。
结束语:综上所述,超声波传播方向性较好,因此能够集中进行传播;同时,超声波的传播适应能力较强,其能够在不同传播媒介中进行科学传播,而且能够实现远距离传播;再者,超声波与传声媒介的相互作用适中,而且在传波过程中容易携带有关传声媒介状态的信息。因此,基于上述应用优点,其在我国诸多技术领域已得到广泛应用与实践。
摘要：超声波技术在国内外具有广泛应用,这一技术可对声波在物种中的传播规律进行分析,它与现代自然科学领域中的声学以及物质同基本粒子相互作用技术和电磁技术共同组成了探索物质的核心技术体系。当前这一技术已在数据通信领域以及工业加工生产技术领域和医疗卫生事业领域、动力工程领域等综合性技术领域中得到了重点应用与实践。
关键词：超声波,传感器,应用
参考文献
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声波传感器 篇3
超声波是频率超过人耳听觉频率极限 (大约为20kHz) 机械波的总称。超声波由换能晶片在电压的激励下发生振动产生, 它具有频率高、波长短、绕射现象小、特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波传感器又称超声波换能器或超声波探头。超声波液位计是由微处理器控制的数字液位仪表。在测量中超声波脉冲由传感器 (换能器) 发出, 声波经液体表面反射后被同一传感器或超声波接收器接收, 通过压电晶体或磁致伸缩器件转换成电信号, 并由声波的发射和接收之间的时间来计算从传感器到被测物体表面的距离。由于采用非接触的测量, 被测介质几乎不受限制, 可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。
2 超声波位置传感器结构及其性能
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。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。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。如图1所示
小功率超声波探头多为探测作用, 它有许多不同的结构, 可分直探头 (纵波) 、斜探头 (横波) 、表面探头 (表面波) 、兰姆波探头 (兰姆波) 、双探头 (一个探头反射、一个探头接收) 。
超声波探头的核心是其外套中的一块压电晶片, 构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小, 如直径和厚度也各有不同, 因此每个探头的性能是不同的, 使用前必须预先了解它的性能。
超声波传感器的主要性能指标如下:
(1) 工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端交流电压的频率和晶片的共振频率相等时, 输出的能量最大, 灵敏度也最高。
(2) 工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高, 特别是探测用超声波探头使用超声波传感器功率较小, 所以工作温度比较低, 可以长时间工作而不失效。
(3) 灵敏度。主要取决于制造晶片本身, 机电耦合系数大, 灵敏度高。
3 超声波位置传感器的工作原理
超声波位置传感器采用超声波回波测位原理, 运用时差测量技术, 检测传感器与目标之间的距离, 采用小角度、小盲区超声波传感器, 具有测量准确、无接触、防水、防腐蚀、成本低等优点, 主要应用于液位、物位、料位检测等。超声波测位传感器的基本原理如图2所示。
超声波位置传感器的基本原理是:系统由发射传感器发出超声波脉冲, 传到被测物体经反射后返回接收传感器, 测出超声波脉冲从发射到接收所需的时间, 再根据介质中的声速, 就能得到从传感器到被测物体之间的距离, 从而确定位置。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
式中:S为被测距离;t为发射超声波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t1时刻和t0时刻, 根据公式, 用软件编程可得到被测距离S。
4 超声波传感器的应用分析
超声波测量液位结构及原理如图3所示。
如图4所示为超声波液位指示电路。该电路由超声波发射电路和接收电路组成。
超声波发射电路由NE555、R1、W1、C1和超声波发射头UCM40T组成。超声波接收电路由与发射头相匹配的接收头UCM40R、级联放大器BG1和BG2、检测电路组成。当液面接近接收头时, 电压表偏转角增大, 且液面离得越近, 对应的偏转角越大。从而实现探测液位变化的功能。
5 结束语
超声波位置传感器有很多其他传感器不可比拟的优点。如:无任何机械传动部件, 不接触被测物体, 属于非接触时测量, 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、寿命长。其响应时间短可以方便地实现无滞后的实时测量。但是目前的超声波传感器都有一些缺点, 如:反射问题, 噪音问题, 交叉问题等。这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈、对发射的超声波进行编码、对每个传感器发出的信号进行编码等方法来解决。
摘要：超声波是频率超过人耳听觉频率极限机械波的总称, 它可以在气体、液体、固体中传播。超声波位置传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。本论述以检测技术中主要采用的压电式液位计为例, 详细分析和阐述了它的结构特点、详细工作原理和应用。
关键词：超声波,位置传感器,工作原理分析
参考文献
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声波传感器 篇4
在室内机器人导航中，对机器人进行准确定位是导航的前提和基础，自定位就是机器人通过自身传感器获取周围环境信息，并把获得的信息通过定位算法计算出机器人的准确位置，从而达到自主定位的功能[1]。目前机器人的定位是国内外学者研究的重要课题，主要的定位方法有:航位推算定位，全球和局域导航系统定位，地图匹配定位，以及超声波定位。航位推算定位是一种相对定位方法，需要知道机器人前一刻的位置才能推算下一刻的位置，由于系统各环节的误差都会累计到下一次的定位中，所以误差会越来越大[2]。全球和局域导航能24小时免费提供信号接收器的位置，但其定位精度最高只能精确到10米范围内，定位效果不是很好[3]。地图匹配定位能够准确地确定机器人的位置，但是机器人需要存储大量的地图数据，计算量很大，所需要的硬件要求也比较高[4]。而超声波是一种机械波，其频率超过20kHz，波长较短、绕射小，能够定向传播，方向性好、穿透力强、传播距离较远，不受外界光及电磁场等因素影响[5]，因此超声波定位的精度相比于其他定位方法精度更高，能够达到厘米级别，此外，超声波定位实现起来，结构比较简单，计算量小，成本低，对人体危害小，所以被广泛应用于距离、厚度、液位测量等领域。
本文采用基于超声波测距进行机器人定位，运用三边测量和最小二乘结合的方法进行定位坐标的计算，同时提出一种温度补偿方法对声速进行修正，减少温度对声速的影响，从而提高机器人定位精度。
1 渡越时间检测法测距原理
渡越时间检测法测距是运用超声波测距传感器，采用渡越时间检测法来进行超声波的测距，渡越时间法是测量发射波的时间和接收到超声波的时间，然后通过计算时间差来计算距离[6]。假设超声波在空气中的速度为v，检测声波行进过程中在传感器和物体之间的传播时间为t，则所要测得距离S=1/2vt。当环境空气温度为20℃时，声波在空气中的传播速度是343.5m/s。
2 声速的修正
由于超声波是一种声波，媒介的特性对超声波的速度有很大的影响。理论上在20℃的空气中声音的传播速度为343.5m/s，而在0℃时传播速度变为323m/s。因此，可知声波传输速度与温度因素相关，本文考虑了温度对声速的影响，通过实验得到声速与温度的关系如表1所示。
由上表1可以看出，当温度从0℃到16℃时，声音的速度将会发生变化，通过实验数据分析可知，温度每升高4℃，声速大约提高2.4m/s。为提高测量的精度，减少温度对测量结果的影响，必须根据具体的温度值对声音进行修正。本文采用温度传感器DAT5280来进行实时温度测量，根据实验数据拟合得出的温度与声速之间关系V=323+0.6T对超声波传播速度进行在线修正。
3 基于超声波测距传感器的机器人定位
基于上述声速修正的方法，进行超声波测距，完成机器人的定位。本文采用三边测量法和最小二乘法相结合的方法进行机器人定位坐标计算。将机器人放置在如图1所示的室内空间中，机器人上的两个超声波传感器分别为Ut1和Ut2，在天花板上固定安装7个全向超声波接收器ut1→ut7,ut1→ut7，它们在坐标系中的位置已知，假设移动机器人运动的室内地面为平面，天花板也是平面，天花板与地面之间平行，这样，超声发射器到超声波接收器所在的平面的距离为定值，记为h。
对于超声波发射器Ut1，所发射超声波能够被天花板上的多个超声波接收器接收，通过上述的超声波测距原理可测量出超声波接收器urj到超声波发射器ut1的距离dj，在ut1所在的平面上，ut1处于以urj到ut1平面的垂足为圆心，以为半径的圆上，如图2所示，图中A为urj,A,B,C坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)，现有7个超声波接收器接收到Ut1所发射的超声波，则可由图2得到以下方程式:
因天花板上的接收器坐标都是已知的，根据三边测量法原理可知，公式(1)中每三个式子可确定一个超声波发射器的坐标(xt1,yt1)，图3是坐标(xt1,yt1)分布图。
由图3可看出，坐标(xt1,yt1)的分布的范围大致为一个圆形区域，分布在机器人实际位置的周围。为了减少测量值与实际值之间的误差，获得接近机器人实际位置的定位值，利用最小二乘法分析图3，可得经验公式为:
展开得:
可得圆曲线方程的另一个形式:
选取7组机器人坐标用来进行a,b的计算，令δ(a,b,c)为:
为了使其平方差误差最小，对公式(5)中的a,b,c分别求导:
将公式6整理得:
假设:
整理公式(8)得:
由于三边测量法算得的所有(xt1,yt1)均为已知，因此由公式(9)可得到a,b的值，进而可算得A,B为:
由图3可知，用三边测量法测得的机器人坐标大致分布在一个圆形区域。由最小二乘法得出的一个最适分布曲线为圆的曲线。该图形的质心也就是圆的圆心为其几何中心，将该圆的圆心，即(A,B)确定为机器人的坐标。机器人在不同位置利用上述方法分别测得的坐标如表2所示。
由表2可知，坐标的测量值与实际值之间的误差控制在厘米级别，基本满足室内机器人定位的要求。
4 结束语
通过实验数据可知，基于温度传感器对超声波音速进行温度补偿，减少了由于温度影响而造成的测距误差，使得测量数据准确度提高，在此基础上，应用三边测量法和最小二乘法结合的算法，对机器人的坐标进行计算，使得求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，能够更加准确的计算机器人的坐标，控制误差在厘米左右，基本满足室内机器人定位要求。
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声波传感器 篇5
同时,传感器由于制造工艺以及一些不确定因素都会造成获得的数据与真实值之间差异较大。针对这种情况,目前同一探头经过分时复用的数据测量并融合是传感器发展的一个方向,其主要工作原理是用一个传感器对同一对象进行分时多次测量,并将这些信息数据通过一定方法进行融合处理[1,2,3],得到一个误差更小、精度更高和准确的测量值,能比较完整、精确地反映被测对象的信息特征。
对于数据融合的算法[4]。在激光雷达、红外、声呐、图像获取等领域都得到充分的实际应用[5]。其中超声波T_R分离传感器数据融合方法主要数字平均[6]、模糊判断、贝叶斯估计和D-S推理[7,8]、数字滤波[10]等。这些计算方法各有各的优缺点。因此,对于智能设备,传感器获得的数据对其智能判断起到至关重要,本文针对数据融合的优缺点,改进发送和接收原理,同时改进了数据融合算法,取得非常满意的结果。
1 T-R分离实现原理
如图1所示,(a)图是传统发送与接收一体模式,当T探头发送一串超声波信号,经被测距离的物体反射,接收R会接收到相应的超声波信号,从而根据速度和时间可以计算出距离,一般不会超过10 m左右。改进测距原理如图1(b)所示,当T探头发送超声波信号的同时发送一个无线信号,探头R模块收到无线信号便开始计时,当T的超声波信号达到R时,CPU关闭计时器,从而根据超声波速度和时间便可以算出距离,经过多次分时测距,再根据数据融合算法,可以计算出精确的距离,同时距离是传统方式1倍,既20 m左右。
2 多超声波传感器数据融合原理
由于环境等其它综合因素的影响,超声波传感器测量值与真实值之间有误差,一般文献证明其基本服从正态分布。设超声波探头有n个传感器,第i个超声传感器的真实值A进行k次测量,测量值为xi1,xi2,…,xik,假定均值为xi和标准差为σi。设目标估计值为x0,标准差为σ0。
令:
由于探头发送接收过程受很多环境因素的影响,需要监测无效数据,留下有用数据。这里采用Grubbs判断法。
设Gi=(xim-x0)/σ0,其中xim为第i组数据中最大或者最小值,x0为均值。下面要把计算值Gi与格拉布斯表给出的Cp(n)比较,如果计算的Gi值大于表中的临界值Cp(na),那么判断该测量数据是异常值,可以剔除。临界值Gp(n)与两个参数有关:检出水平α(与置信概率p有关)和测量次数n。α一般取值为0.01或者0.05。
令:Ai,A0表示第i个探头获得的测量值与估计值数据的正态模糊集。即:
其指数加权为:
式(4)中c(k)=(1-b)/(1-bk+1),b为遗忘因子,一般取0.95—0.99,这与外部干扰因素相关,影响大时可以选择大一些。
由内积定义可知,与内积是两个模糊集的最大值,即:
解出t有两个解:t'和t',即:
由于t'不在范围xi～x0区间,所以舍去。
故,内积:
把公式(6)t'的值代入式(7)得:
由外积的定义可知,模糊集的外积是两个模糊集并积的最小值,所以:。
贴近度定义为:
把公式(7)代入公式(9)得:
n个传感器归一化,得各自权重:
3 实现算法流程
单片机系统初始化各参数的初始值,如图2所示。计算步骤如下:
1)T发送超声波信号,同时发送无线信号;R接收无线信号开始计时,收到超声波信号停止,分时测距6次,并记录相应数据。
2) Grubbs异常数据判断,剔除数据中异常数据值。
3)分别算出每组的均值和标准差xi,σi。
4)计算出测量数据均值和标准差x0,σ0。
5)求出6次超声波探头数据的接近度S(Ai,A0)。
6)求出每组数据权重ωi。
7)根据,融合出系统距离的确切数值。
4 结果分析
实验用6个超声波探头进行四次测量,测量值、均值、标准差、接近度、相对权重如表1所示。
经过数据融合,得出超声波探头与障碍物之间的确切距离的融合值为:,与实际距离误差为:0.005 m。
由表1可知,传感器编号为1至6,对于每次传感器获得的数据,第2个传感器的数据的稳定性和可靠性最高,其次是第5、第6个传感器的数据,传感器编号为4组接近度最差。由此可以看出,相对权重能表征数据接近真实值的程度。从而证明本文提出的接近度算法相对模糊神经和D-S推理在精度和距离上都很高,而且运算过程简单,快捷,适合资源非常有限的8位或者16位以及最新的32单片机的系统使用。
5 结论
本文根据每次数据的权重计算该组的最终数据,用Grubbs算法找出其中不合理干扰数据,并且通过T-R分离方式获取数据,相比常用的一体式探头,测量的距离大大提高,可以达到20 m左右,该算法设计在超声波测距、定位领域得到实际验证,能满足实际要求。
摘要：针对T-R分离的传感器中对距离多次测量的数据融合问题,提出用接近度作为多传感器数据融合的权重的新方法。该方法采用无线数据传送结合超声波传感器测得数据,并算出均值和方差,用Grubbs方法剔除异常数据,且计算出每个探头数据对应的接近度权重,并计算最终到数据融合的表达式。实验表明方法比单一传感器有更高的精度,适合8位以及32位单片机等嵌入式系统中应用。
关键词：超声波传感器,数据融合,T-R分离,权重
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声波传感器 篇6
目前,在大中型收割机上,采用仿形液压板控制割台高度,以使割台高度均匀;在小型联合收割机上,一般在分禾器下设置检测滑撬或位置开关,以控制割台油缸动作,达到同样的目的。这两种控制模式共同的问题是控制精度和实时性差,且不能进行割台高度数据的获取和分析。因此,本文根据联合收割机智能化的发展方向,设计了割台高度控制系统,为提高割台高度控制的自动化水平提供依据。采用此系统可以简化机构,并使收割机工作更加可靠,操作灵活。
1 割台高度的液压系统控制原理
联合收割机的液压提升机构应保证割台完成提升、保持和下降等动作。联合收割机提升机构的液压系统用多路换向阀作为手动换向阀,本系统选择电液比例方向阀作为控制阀。电液比例方向阀可在不同方向上对负载流量或压力进行连续控制。在实际使用时只需改变阀的控制电流,即可控制阀的输出压力或流量。在联合收割机割台提升机构的液压系统中,加入电液比例方向阀,再加上由单片机及其外围电路组成的控制器,采用PID控制算法构成电液比例控制系统。其液压控制系统简图,如图1所示。
从图1中可看出,割台的升降是通过传感器实时检测出割台的离地高度和液压缸当前位置信号,并将检测到的信号输入单片机处理控制比例阀,从而控制液压缸的动作。由于液压缸的出口就是比例阀,比例阀输入电流的大小决定了其输出流量的大小,也决定了液压缸出口阻力的大小,从而也就决定了割台升降的高度。当进入比例阀的电流量增大,使比例阀的开度增加,进入液压缸的压力油增多,控制割台上升;反之,当进入比例阀的电流减少,使比例阀的开度减小,进入液压缸的压力油减少,控制割台下降,从而实现控制割台的升降。
2 系统的硬件设计
2.1 割台高度的检测方法
超声波测距是一种非接触式的检测方式,与电磁或光学的方法相比它不受光线、被测对象颜色等因素影响,可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强或有毒等恶劣环境中。在割台底部安装超声波发射和接收探头,根据超声波传感器的工作原理,由单片机控制收发电路并计算其高度值。
2.2 控制系统的硬件组成
控制系统的结构框图,如图2所示。该控制系统是对割台当前高度和液压缸的当前位置进行测量,按照PID控制算法对测量值进行处理,产生相应的控制信号,驱动比例方向阀动作,从而使割台随地面的起伏而升降。控制系统主控制单元采用8位AT89C52单片机,外围电路包括输入输出信号处理电路、LCD显示电路和串口通信电路等。
2.2.1 超声波发射电路
超声波发射电路的驱动方式有自激式振荡和它激式振荡,本文中选用它激式振荡驱动方式。超声波发射电路包括超声波接收电路和超声波发射控制电路两个部分,本文采用555定时器产生触发波形。超声波发射电路的原理图,如图3所示。电路由NE555,R1,R2,C1及C2组成40k Hz可控多谐振荡器,当R2和C2固定时,改变R1的阻值就可以改变振荡频率。该电路具有元器件少,频率稳定等特点。NE555的4号引脚是复位端,利用它控制超声波信号的发射或截止。当引脚4为高电平时,NE555有振荡频率输出;若相反则NE555定时器清零,无输出信号。将4脚与单片机的控制信号端P1.1口相接就可以控制发射电路。该电路振荡频率为40k Hz。在产生超声波信号时调节R2的阻值,使其与换能器的40k Hz固有频率一致。在输出端3引脚加74HC04反向器及上拉电阻R3,以增强发射信号的强度。
2.2.2 超声波接收电路
超声波接收电路主要包括信号放大电路和信号整形电路两部分。
1)信号放大电路。超声波在空气中传播时,其能量的衰减程度与距离成正比,即距离越近、信号越强,距离越远、信号越弱,通常在1m V~1V之间。选用OP07集成运放作为运算放大器,OP07是高精度运算放大器,电压偏置保持长时间稳定,具有极好的电源噪声抑制、共模抑制和低失调、低噪声特性。为了减少负电源的使用,放大电路采用单电源供电,信号放大100倍。放大电路原理,如图4所示。
2)信号整形电路。超声波接收的信号经运算放大器放大之后,信号中还存在杂波、干扰和噪声,需要设计电路将得到的连续变化的信号转变为离散信号,使单片机能够辨视。系统设计的发射频率在40k Hz左右,该频率正好落在LM567捕捉的频带范围内,完全可用它作为超声波检测的集成电路。超声波反射回来被接收头接收,经放大后送到LM567的引脚3;LM567捕捉到后输出低电平,此负跳变可作为中断输入引起单片机中断。信号整形电路如图5所示。
2.2.3 显示电路
LCM1602为兼容的液晶显示模块,支持5×7点阵和2×16字符两种模式,背光亮度和显示对比度可调,是一种功能较简单、成本低廉的液晶显示器件。它由液晶显示屏和驱动器两部分组成,单片机通过写控制字方式访问驱动器来实现对显示屏的控制。为了简化电路,本系统采用LCM1602显示接口电路,如图6所示。
3 系统的软件设计
系统软件采用C51语言编写,在Keil环境下编译和调试。整个软件系统由主程序模块、超声波测距模块、显示模块、外部中断模块和通信模块组成。主程序的设计思路:开机时首先进行系统初始化,输入要求的割台高度并启动超声波测距系统;然后测距模块对当前的高度值进行测量,将采集到的数据送单片机进行处理,同时位置传感器检测液压缸位置信息,送单片机的RAM存储器;最后单片机结合测量到的割台高度值和液压缸位置信息,根据PID控制算法策略来控制比例放大器,经比例放大器放大一定的倍数后,控制方向阀的进油和出油,再由液压油缸中进油量的多少控制割台的升降量,从而使割台高度稳定在设定的范围之内。主程序流程图,如图7所示。
4 结论
本文以AT89C52单片机为核心,设计了基于超声波传感器的割台高度控制系统,克服了传统联合收割机割台工作高度调整实时性和准确性较差且不能进行割台高度数据获取和分析的欠缺。在联合收割机中采用该控制系统,可以使割台根据地面状况进行自动调节并可在工作中动态显示割台的高度。
摘要：传统联合收割机割台利用机械仿形机构或人工方法来调整工作高度,其实时性和准确性较差,且不能进行割台高度数据的获取和分析。为了适应联合收割机智能化的发展要求,设计了基于超声波传感器的割台高度控制系统。该系统以AT89C52单片机为控制中心,通过液晶显示模块LCM1602动态显示割台高度。采用此系统可在工作过程中全程监控联合收割机的割台变化情况,并能简化联合收割机的机构,提高其自动化程度。
关键词：自动控制技术,割台控制系统,设计,联合收割机割台,超声波,高度,动态显示
参考文献
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声波传感器 篇7
在汽车、钢材配送、家用电器等生产行业进行卷料开卷、剪切的生产中,大量使用开卷校平剪切线。随着制造业对工件表面质量的要求的提高,对剪切线的要求也越来越高。传统的剪切线上开卷机采用力矩电机控制,为机头提供反向力矩,在机头和校平机之间的板材上形成张力,张力的大小由手动调节力矩电机的反向力矩控制。当电机力矩固定时,张力随料卷直径的变化而变化,手动控制电机力矩,不能准确地控制稳定的张力。当力矩设定较小时,在开卷线停止时,不能及时协调停止机头,常常发生冲卷、松卷。当力矩设定较大时,料卷直径较大时,张力过大,不仅损伤板材,而且对校平机也有损害。超声波测距传感器的应用,可以实时测量料卷的直径,开卷机头由变频电机或伺服驱动,通过控制开卷机头和校平机的速度,实现对开卷张力的控制,张力调节灵活,张力控制稳定。同时,超声波传感器的应用,使卷料自动装载得以实现。
2 开卷张力的控制
超声波传感器通过计算超声波脉冲发射到介质表面并返回的时间,得出测头距检测物的距离。在开卷机头上方垂直安装一个超声波传感器(倍加福公司UC2000-30GM-IU-V1),接线图以西门子ET200S模拟量模块为例,型号为6ES7 134-4FB01-0AB0,见图1所示。
当料卷上好后,通过检测到的测头到料卷的距离,可以计算出料卷的直径D,料卷直径就可以实时送入控制系统。因开卷的线速度Vl=3.14DVk,(Vk——开卷芯轴的角速度),所以通过控制Vk实现开卷线速度的控制,进而控制开卷张力。
如图2所示,当超声波传感器安装好后,超声波传感器距开卷机头中心线的距离K为已知,料卷距传感器的距离X由传感器可以测到,此时,料卷直径为2(K-X)。校平机速度V由落料速度和落料长度决定,当校平速度等于落料速度乘以落料长度时,开卷校平速度和落料速度匹配,开卷校平匀速运行。当开卷机线速度和校平线速度V相同时,开卷角速度Vk=V/3.14×2(K-X)=V/6.28(K-X),卷料张力为零,当板料厚度小于1mm时,这种方式较为理想。当板材厚度大于1mm时,Vk=V/6.28(K-X)-Vf,校平机线速度大于开卷线速度,开卷机处于发电状态,产生反向力矩,控制Vf的大小,即可控制反向力矩的大小。为精确控制张力,可使Vf=K/D(式中K——常数,D——直径)。这样,Vf随料卷直径的减少而增大,电机力矩也随直径变化,而张力Q=FD/2,调节K值可使张力在整个开卷过程中保持稳定可调。
3 料卷自动装载的实现
要实现料卷的自动装载,必须保证上料小车由上料架处移入到芯轴的正下方,小车带料上升使料卷中心和芯轴中心重合。通过调节小车移入减速开关、停止开关,加装硬限位,实现移入准确定位。
上升高度的控制如图3所示,K1为超声波传感器距上料小车上表面的距离,K为在上料小车移入后,超声波传感器检测到的料卷高度,K2为开卷机芯轴距传感器的距离。则有X=K2-(K1-K)/2,这样在小车带料上升时,当检测值等于X时,料卷中心和芯轴中心重合,芯轴正好穿入,实现料卷自动装载。对于每一个料卷,K1和K2在超声波传感器安装完成后,即为已知固定值,K和X的值随料卷不同变化。通过超声波传感器的使用,实现了料卷的自动装载。
另外,在开卷过程中,当超声波传感器检测的距离大于K2时,向系统发出料尾信号,系统结合料尾检测开关信号,控制系统进入料尾程序。
4 结束语
超声波传感器在开卷线上的应用,为料卷自动装载提供了一种新的控制方法,特别在双臂开卷机上的应用有较大的优势。超声波传感器在自动张力控制上的应用,大大提高了开卷线的自动化控制水平,提高了生产效率和产品品质。经现场生产应用,取得了良好效果。
参考文献
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