超聲測距傳感器原理：超聲波傳感器
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超聲波傳感器
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超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其它能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是振動頻率高于20kHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
中文名
超聲波傳感器
外文名
Ultrasonic sensor
所屬類別
傳感器 物理學(xué)
原 理
超聲換能器
適用領(lǐng)域
工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)
產(chǎn) 地
中國-深圳
目錄
1
組成部分
2
性能指標(biāo)
?
工作頻率
?
工作溫度
?
靈敏度
?
指向性
3
相關(guān)應(yīng)用
?
主要應(yīng)用
?
具體應(yīng)用
4
工作相關(guān)
?
工作原理
?
工作程式
?
工作模式
5
系統(tǒng)構(gòu)成
6
檢測方式
7
檢測好壞
8
液位測試
9
其他
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區(qū)分
?
注意事項(xiàng)
?
暴露問題
超聲波傳感器組成部分
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中國制造的超聲波傳感器
常用的超聲波傳感器由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭發(fā)射、一個(gè)探頭接收）等。
超聲波傳感器性能指標(biāo)
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超聲波傳感器
超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：
超聲波傳感器工作頻率
工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
超聲波傳感器工作溫度
超聲波傳感器
由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。
超聲波傳感器靈敏度
主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。
超聲波傳感器指向性
超聲波傳感器探測的范圍
超聲波傳感器相關(guān)應(yīng)用
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語音
超聲波傳感器主要應(yīng)用
超聲波傳感器
超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí)，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。
超聲波傳感器
在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。
超聲波傳感器具體應(yīng)用
一、超聲波傳感器可以對集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測。將超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部，向集裝箱內(nèi)部發(fā)出聲波時(shí)，就可以據(jù)此分析集裝箱的狀態(tài)，如滿、空或半滿等。二、超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規(guī)則物體。但不適用于室外、酷熱環(huán)境或壓力罐以及泡沫物體。三、超聲波傳感器可以應(yīng)用于食品加工廠，實(shí)現(xiàn)塑料包裝檢測的閉環(huán)控制系統(tǒng)。配合新的技術(shù)可在潮濕環(huán)如洗瓶機(jī)、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進(jìn)行探測。
[1]
四、超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料，控制張力以及測量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗(yàn)煤的設(shè)備運(yùn)、塑料加工以及汽車行業(yè)等。超聲波傳感器可用于流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。使用超聲波傳感器技術(shù)防止踩錯(cuò)踏板日產(chǎn)汽車開發(fā)出了防止在要踩剎車時(shí)誤踩成油門而使車輛加速的功能，使用攝像頭和超聲波傳感器推斷出“要在停車場上停車”的情況時(shí)，如果駕駛員踩成了油門就會強(qiáng)制剎車。該技術(shù)預(yù)定在2～3年內(nèi)實(shí)用化。超聲波傳感器技術(shù)就是為了防止在停車場停車時(shí)踩錯(cuò)剎車和油門造成事故而開發(fā)的。該技術(shù)是使用在車輛前后左右各配備一個(gè)的四個(gè)攝像頭和前保險(xiǎn)杠、后保險(xiǎn)杠各配備四個(gè)共八個(gè)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的。4個(gè)攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環(huán)視顯示器”的攝像頭。利用攝像頭識別出白線等以推斷汽車位于停車場，利用超聲波傳感器測量出汽車與周圍障礙物之間的距離來確定剎車時(shí)機(jī)。防止因踩錯(cuò)剎車和油門而造成事故分兩步實(shí)施。當(dāng)駕駛員在停車場想停車時(shí)，如果踩成了油門，則首先將車速減至蠕滑速度，用儀表板的圖標(biāo)來提示危險(xiǎn)，并響起警報(bào)聲。如果駕駛員仍繼續(xù)踩油門而即將撞上墻壁等物體時(shí)，則強(qiáng)制剎車。剎車時(shí)機(jī)為保證汽車在與障礙物相距20～30cm左右時(shí)可以停下來。
超聲波傳感器工作相關(guān)
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超聲波傳感器工作原理
超聲波傳感器
人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通訊，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。
超聲波傳感器
超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波信號進(jìn)行檢測.而實(shí)際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。
超聲波傳感器工作程式
超聲波傳感器
若對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進(jìn)行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時(shí)發(fā)出警告。所設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)可以同時(shí)提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報(bào)警檢測系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會減少，并可以游刃有余地采取必要的動作。
超聲波傳感器工作模式
超聲波傳感器
超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。檢測模式超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對射式超聲波傳感器包括一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接收器和發(fā)射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關(guān)信號。檢測范圍
超聲波傳感器
超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300~500mm波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達(dá)8m。一些傳感器具有較窄的6o聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發(fā)射角在12o至15o的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應(yīng)的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)更適合檢測安裝空間有限的場合。調(diào)節(jié)幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關(guān)輸出的近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)或是測量范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。在設(shè)定范圍外的物體可以被檢測到，但是不會觸發(fā)輸出狀態(tài)的改變。一些傳感器具有不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，如傳感器的響應(yīng)時(shí)間、回波損失性能，以及傳感器與泵設(shè)備連接使用時(shí)對工作方向的設(shè)定調(diào)節(jié)等。重復(fù)精度
超聲波傳感器
波長等因素會影響超聲波傳感器的精度，其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器具有溫度補(bǔ)償?shù)奶匦浴Ｔ撎匦阅苁鼓M量輸出型的超聲波傳感器在一個(gè)寬溫度范圍內(nèi)獲得高達(dá)0.6mm的重復(fù)精度。輸出功能所有系列的超聲波傳感器都有開關(guān)量輸出型產(chǎn)品。一些產(chǎn)品還有2路開關(guān)量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數(shù)產(chǎn)品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產(chǎn)品。噪聲抑制金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超聲波傳感器的參數(shù)賦值，這主要是由于頻率范圍的優(yōu)選和已獲專利的噪聲抑制電路。同步功能
超聲波傳感器
超聲波傳感器的同步功能可防干擾。他們通過將各自的同步線進(jìn)行簡單的連接來實(shí)現(xiàn)同步功能。它們同時(shí)發(fā)射聲波脈沖，象單個(gè)傳感器一樣工作，同時(shí)具有擴(kuò)展的檢測角度。交替工作超聲波傳感器 超長掃描型以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨(dú)立的，不會相互影響。以交替方式工作的傳感器越多，響應(yīng)的開關(guān)頻率越低。檢測條件超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質(zhì)中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質(zhì)中工作，但需要進(jìn)行靈敏度的調(diào)節(jié)。盲區(qū)直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測位于超聲波換能器前段的部分物體。由此，超聲波換能器與檢測范圍起點(diǎn)之間的區(qū)域被稱為盲區(qū)。傳感器在這個(gè)區(qū)域內(nèi)必須保持不被阻擋。溫濕度
超聲波傳感器
空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時(shí)間。空氣溫度每上升20oC，檢測距離至多增加3.5%。在相對干燥的空氣條件下，濕度的增加將導(dǎo)致聲速最多增加2%。空氣壓力常規(guī)情況下大氣變化±5%（選一固定參考點(diǎn)）將導(dǎo)致檢測范圍變化±0.6%。大多數(shù)情況下，傳感器在5Bar壓力下使用沒有問題。氣流氣流的變化將會影響聲速。然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在產(chǎn)生空氣渦流比較普遍的條件下，例如對于灼熱的金屬而言，建議不要采用超聲波傳感器進(jìn)行檢測，因?yàn)閷κд孀冃蔚穆暡ǖ幕芈曔M(jìn)行計(jì)算是非常困難的。標(biāo)準(zhǔn)檢測物采用正方形聲反射板用于額定開關(guān)距離sn的標(biāo)定。1mm的厚度垂直性：與聲束軸線垂直。防護(hù)等級外殼可防固體顆粒和防水。IP65：完全防塵；防水柱的侵入。IP67：完全防塵；在恒溫下浸入水下1m深處并放置30分鐘，能夠有效防護(hù)。IP69K：基于EN的符合DIN-9泵功能可施行雙位置控制，例如一個(gè)液位控制系統(tǒng)的泵入泵出功能。當(dāng)一個(gè)被測物遠(yuǎn)離傳感器到達(dá)檢測范圍的遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，輸出動作。當(dāng)被測物靠近傳感器到達(dá)檢測范圍設(shè)定的近點(diǎn)時(shí)，輸出相反的動作。
超聲波傳感器系統(tǒng)構(gòu)成
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超聲波傳感器主要由如下四個(gè)部分構(gòu)成：發(fā)送器：通過振子（一般為陶瓷制品，直徑約為15 mm）振動產(chǎn)生超聲波并向空中幅射。接收器：振子接收到超聲波時(shí)，根據(jù)超聲波發(fā)生相應(yīng)的機(jī)械振動，并將其轉(zhuǎn)換為電能量，作為接收器的輸出。控制部分：通過用集成電路控制發(fā)送器的超聲波發(fā)送，并判斷接收器是否接收到信號（超聲波），以及已接收信號的大小。電源部分：超聲波傳感器通常采用電壓為DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流電源供電，經(jīng)內(nèi)部穩(wěn)壓電路供給傳感器工作。
超聲波傳感器檢測方式
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根據(jù)被檢測對象的體積、材質(zhì)、以及是否可移動等特征，超聲波傳感器采用的檢測方式有所不同，常見的檢測方式有如下四種：穿透式：發(fā)送器和接收器分別位于兩側(cè)，當(dāng)被檢測對象從它們之間通過時(shí)，根據(jù)超聲波的衰減（或遮擋）情況進(jìn)行檢測。限定距離式：發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，當(dāng)限定距離內(nèi)有被檢測對象通過時(shí)，根據(jù)反射的超聲波進(jìn)行檢測。限定范圍式：發(fā)送器和接收器位于限定范圍的中心，反射板位于限定范圍的邊緣，并以無被檢測對象遮擋時(shí)的反射波衰減值作為基準(zhǔn)值。當(dāng)限定范圍內(nèi)有被檢測對象通過時(shí)，根據(jù)反射波的衰減情況（將衰減值與基準(zhǔn)值比較）進(jìn)行檢測。回歸反射式：發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，以檢測對象（平面物體）作為反射面，根據(jù)反射波的衰減情況進(jìn)行檢測。
超聲波傳感器檢測好壞
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超聲波傳感器用萬用表直接測試是沒有什么反映的。要想測試超聲波傳感器的好壞可以搭一個(gè)音頻振蕩電路，當(dāng)C1為390OμF時(shí)，在反相器⑧腳與⑩腳間可產(chǎn)生一個(gè)1.9kHz左右的音頻信號。把要檢測的超聲波傳感器(發(fā)射和接收)接在⑧腳與⑩腳之間;如果傳感器能發(fā)出音頻聲音，基本就可以確定此超聲波傳感器是好的。注：C1=3900μF時(shí)，為1.9kHZ左右；C1=0.O1μF時(shí)，約0.76kHZ。
超聲波傳感器液位測試
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超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無任何機(jī)械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長；（2）其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無滯后的實(shí)時(shí)測量。系統(tǒng)采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面。考慮到環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ蕴岣邷y量精度。計(jì)算公式為：V=331.5+0.607T （1）式中：V為超聲波在空氣中傳播速度；T為環(huán)境溫度。S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）式中：S為被測距離；t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差；t1為超聲回波接收時(shí)刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時(shí)刻和t1時(shí)刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測距離S。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點(diǎn)的混合信號處理器，其內(nèi)部集成了溫度傳感器，因此可利用軟件很方便的實(shí)現(xiàn)對傳感器的溫度補(bǔ)償。
超聲波傳感器其他
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超聲波傳感器區(qū)分
超聲波傳感器與聲納傳感器的區(qū)別聲納傳感器和超聲波傳感器是經(jīng)常聽說的兩種探測裝置，很多人認(rèn)為這兩種是一種傳感器，這兩種傳感器之間有什么區(qū)別呢？
高頻超聲波傳感器
聲納傳感器直接探測和識別水中的物體和水底的輪廓，聲納傳感器發(fā)出一個(gè)聲波信號，當(dāng)遇到物體后會反射回來，依據(jù)反射時(shí)間及波型去計(jì)算它的距離及位置。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。聲納傳感器主要用于探測生物，比如用于探測水底有哪些生物，生物體形有多大等。經(jīng)常問你聽說的用于探測水怪的裝置就是聲納傳感器。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。
超聲波傳感器注意事項(xiàng)
1：為確保可靠性及長使用壽命，請勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器
[2]
。2：由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質(zhì)，因此局部溫度不同時(shí)，分界處的反射和折射可能會導(dǎo)致誤動作，風(fēng)吹時(shí)檢出距離也會發(fā)生變化。因此，不應(yīng)在強(qiáng)制通風(fēng)機(jī)之類的設(shè)備旁使用傳感器。3：噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會影響傳感器且不應(yīng)在傳感器附近使用。4：傳感器表面的水滴縮短了檢出距離。5：細(xì)粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時(shí)無法被檢出（反射型傳感器）。6：不能在真空區(qū)或防爆區(qū)使用傳感器。7：請勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器；此區(qū)域的大氣不均勻。將會產(chǎn)生溫度梯度，從而導(dǎo)致測量錯(cuò)誤。
超聲波傳感器暴露問題
超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如，反射問題，噪音，交叉問題。反射問題如果被探測物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會獲得正確的角度。但是不幸的是，在實(shí)際使用中，很少被探測物體是能被正確的檢測的。其中可能會出現(xiàn)幾種誤差：三角誤差當(dāng)被測物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。鏡面反射這個(gè)問題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產(chǎn)生回波，也就無法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會忽視這個(gè)物體的存在。多次反射這種現(xiàn)象在探測墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比較常見。聲波經(jīng)過多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測值并不是真實(shí)的距離值。這些問題可以通過使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個(gè)超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數(shù)。噪音雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程會產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動，甚至當(dāng)有多個(gè)機(jī)器人的時(shí)候，其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會引起傳感器接收到錯(cuò)誤的信號。這個(gè)問題可以通過對發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來解決，比如發(fā)射一組長短不同的音波，只有當(dāng)探測頭檢測到相同組合的音波的時(shí)候，才進(jìn)行距離計(jì)算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。交叉問題交叉問題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的。超聲波X發(fā)出的聲波，經(jīng)過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時(shí)Z和Y會根據(jù)這個(gè)信號來計(jì)算距離值，從而無法獲得正確的測量。解決的方法可以通過對每個(gè)傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽自己的聲音。
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參考資料
1.
超聲波傳感器的應(yīng)用
．傳感器交易網(wǎng)[引用日期2012-12-21]
2.
超聲波傳感器的使用注意事項(xiàng)
．傳感器[引用日期2012-12-21]
超聲測距傳感器原理：超聲波傳感器測距原理與模塊使用
超聲波 ultrasonic (waves)：
人類耳朵能聽到的聲波頻率為20HZ～20KHz。當(dāng)聲波的振動頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20KHz赫茲的聲波稱為“超聲波”。因其方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。如超聲波清洗機(jī)，超聲波加濕器，醫(yī)學(xué)檢查B超，彩超，超聲波探傷儀等。
聲音是由振動產(chǎn)生的，能夠產(chǎn)生超聲波的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。
常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波傳感器探頭內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 超聲波傳感器就是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去；而在接收時(shí)，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。
超聲波測距原理：
最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，如下圖，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2
超聲波發(fā)射電路：由555定時(shí)器產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號，加到超聲波探頭的引腳上，使內(nèi)部的壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射超聲波。
超聲波接收電路： 由于超聲波接收探頭產(chǎn)生的電信號非常弱，需要進(jìn)行放大處理，下圖，由晶體管和運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成放大電路，對接收信號放大后，驅(qū)動繼電器。
一般采用集成的信號放大器芯片，對信號進(jìn)行放大處理。CX是SONY公司的專用集成前置放大器，由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益,在近距離輸入信號強(qiáng)時(shí)放大器不會過載。?
超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。V = 331．4 + 0．607T ，式中，T為實(shí)際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s
實(shí)際測量時(shí)由于傳感器和被測物體的角度不同，被測物體表面也可能是不是平整的，產(chǎn)生幾種特殊情況，會導(dǎo)致測量結(jié)果錯(cuò)誤，如下圖，可以通過旋轉(zhuǎn)探頭角度多次測量來解決。
超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：
（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。
（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。
超聲波測距模塊： 市場上有很多做好的測量模塊，價(jià)格性能不一。
HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能， 測距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。基本工作原理：
(1)采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號;
(2)模塊自動發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；
(3)有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。
測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2;
超聲測距傳感器原理：超聲波測距與超聲測距傳感器工作程序圖文詳解
描述
超聲波
人們可以聽到的聲音的頻率為20Hz~2KHz，也就是可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20KHz以上的聲音稱為超聲波（Ultrasound），一般說話的頻率范圍是10Hz-8KHz。超聲波方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。
超聲波頻率分布
超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。超聲波在介質(zhì)中傳播的波形取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。
通常有如下三種:
（1）縱波波型當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動方向與超聲波的傳播方向一致時(shí)，此超聲波為縱波波型。任何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時(shí)均能產(chǎn)生縱波。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。（2）橫波波型當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向與超聲波的傳播方向相垂直時(shí)，此種超聲波為橫波波型。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當(dāng)其有剪切力交替作用于固體介質(zhì)時(shí)均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。（3）表面波波型是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成, 振動質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很快衰減，實(shí)際上離表面一個(gè)波長以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動的振幅已經(jīng)很微弱了。 另外，超聲波也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，，一般為幾十KHz，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。 利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，并在通訊、醫(yī)療、家電、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各方面得到廣泛應(yīng)用。 能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等。當(dāng)給壓電晶片兩極施加一個(gè)電壓短脈沖時(shí), 由于逆壓電效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩。振蕩頻率與晶片的厚度和聲速有關(guān), 適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波, 即超聲波。此種方式發(fā)射出的是一個(gè)超聲波波包，通常稱為脈沖波。超聲波測距超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、及機(jī)器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。 目前有兩種常用的超聲波測距方案。一種是基于單片機(jī)或者嵌入式設(shè)備的超聲波測距系統(tǒng)，一種是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超聲波測距系統(tǒng)。
如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用第一種方案，利用嵌入式設(shè)備編程產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)發(fā)射物反射回來，由傳感器接收端接收，再經(jīng)過接收電路放大、整形。以嵌入式微核心的超聲波測距系統(tǒng)通過嵌入式設(shè)備記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)跳變。通過定時(shí)器計(jì)數(shù)，計(jì)算時(shí)間差，就可以計(jì)算出相應(yīng)的距離。
圖1 超聲波測距原理超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。首先，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間T秒，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離L，即：L=C×T /2 。這就是所謂的時(shí)間差測距法。
由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?br/>表1 超聲波波速與溫度的關(guān)系由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為倒車距離測量的理想選擇。超聲波傳感器超聲波為直線傳播，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，這就使得超聲波傳感器的使用變得簡單。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。 超聲波傳感器主要由雙壓電晶片振子、圓錐共振板和電極等部分構(gòu)成。兩電極間加上一定的電壓時(shí)壓電晶片就會被壓縮產(chǎn)生機(jī)械形變，撤去電壓后壓電晶片恢復(fù)原狀。若在兩極間按照一定的頻率加上電壓，則壓電晶片也會保持一定的頻率振動。經(jīng)試驗(yàn)測得此型號壓電晶片的固有頻率為38.4 KHz，則在兩極外加頻率為40 KHz的方波脈沖信號，此時(shí)壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射出超聲波。同理，沒有外加脈沖信號的超聲波傳感器在共振板接收到超聲波時(shí)也會產(chǎn)生共振，在兩極間產(chǎn)生電信號。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)，包括：(1) 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。(2) 工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。(3) 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。超聲波測距一體模塊HC-SR04（1）模塊性能
如圖2所示，HC-SR04模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，能和國外的SRF05、SRF02等超聲波測距模塊相媲美。模塊高精度，盲區(qū)(2cm)超近，最大識別距離為300cm。
圖2 HC-SR04模塊實(shí)物圖如圖3所示，系統(tǒng)的工作是由軟件和硬件的配合過程。先由嵌入式微處理器使555使能端置1，繼而555送出40KHz頻率的方波信號，經(jīng)過壓電換能器（超聲波發(fā)射頭）將信號發(fā)射出去，即發(fā)射超聲波，同時(shí)該時(shí)刻啟動定時(shí)器開時(shí)計(jì)時(shí)。該信號遇到障礙物反射回來在此稱為回波。同時(shí)，壓電換能器（超聲波接收頭）將接收的回波及接收超聲波,通過信號處理的檢波放大，通過三級放大后再送到比較器進(jìn)行比較，輸出比較電壓，輸出電壓經(jīng)過三極管以后，使之電壓與嵌入式微處理器的I/O口相匹配最后送至處理器處理。
圖3 超聲波測距原理框圖（2）產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人避障、物體測距、液位檢測、公共安防、停車場檢測。（3）主要技術(shù)參數(shù)
（4）接線方式及工作原理
接線方式：VCC、trig(控制端)、 echo(接收端)、 GND。如圖4所示，超聲波傳感器基本工作原理如下： 采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給大于10us的高電平信號；模塊自動發(fā)送8個(gè)40KHz的方波,自動檢測是否有信號返回；
有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s))/2。
圖4 傳感器的方向圖（5）控制方式本模塊使用方法簡單，通過嵌入式微處理器控制口發(fā)一個(gè)10us以上的高電平，啟動超聲波傳感器模塊發(fā)出8個(gè)40KHz的周期電平。然后開啟定時(shí)器，再延時(shí)100us左右以避免發(fā)射探頭的余振的干擾。接著通過在while循環(huán)中查詢外部中斷是不是已經(jīng)捕獲到回波信號，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到接收到的回響信號的時(shí)間間隔就可以計(jì)算得到距離。
如圖5 所示為超聲測距模塊的時(shí)序圖，根據(jù)時(shí)序圖，可以知道，回響信號的高電平就是我們用來測量距離的重要指標(biāo)，通過距離與速度和時(shí)間的關(guān)系，從而求得相應(yīng)的距離。
圖5 超聲測距時(shí)序圖
一個(gè) 10us 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8次40KHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號，回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號的時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。建議測量周期為 60ms 以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。
圖6 出了超聲測距模塊的發(fā)射端電路。
圖7 超聲測距發(fā)射端電路圖
壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。
圖8 給出了超聲測距模塊的接收端電路。 集成電路CX是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距的超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX接收超聲波(無信號時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。
圖8 超聲波接收電路圖9 給出了超聲測距模塊的電路。
圖10 超聲波收發(fā)電路超聲波測距模塊的影響因素
超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如，反射問題，噪音，交叉問題。
1. 反射問題
如果被探測物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會獲得正確的角度。但是不幸的是，在實(shí)際使用中，很少被探測物體是能被正確的檢測的。 其中可能會出現(xiàn)幾種誤差：
1)三角誤差
當(dāng)被測物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。
2)鏡面反射
這個(gè)問題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產(chǎn)生回波，也就無法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會忽視這個(gè)物體的存在。
3)多次反射
這種現(xiàn)象在探測墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比較常見。聲波經(jīng)過多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測值并不是真實(shí)的距離值。
這些問題可以通過使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個(gè)超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數(shù)。
(2) 噪音
雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45KHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程會產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動，甚至當(dāng)有多個(gè)機(jī)器人的時(shí)候，其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會引起傳感器接收到錯(cuò)誤的信號。
這個(gè)問題可以通過對發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來解決，比如發(fā)射一組長短不同的音波，只有當(dāng)探測頭檢測到相同組合的音波的時(shí)候，才進(jìn)行距離計(jì)算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。
(3)交叉問題交叉問題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的。超聲波X發(fā)出的聲波，經(jīng)過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時(shí)Z和Y會根據(jù)這個(gè)信號來計(jì)算距離值，從而無法獲得正確的測量。
解決的方法可以通過對每個(gè)傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽自己的聲音。
實(shí)驗(yàn)原理超聲測距傳感器實(shí)驗(yàn)環(huán)境由PC機(jī)（安裝有Windows XP操作系統(tǒng)、ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境和J-link-ARM-V410i仿真器）、J-link-ARM仿真器、NXP LPC2378實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)板、超聲測距傳感器、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和LCD顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，如圖11所示。
圖11 傳感器實(shí)驗(yàn)環(huán)境本實(shí)驗(yàn)所使用實(shí)物規(guī)格圖如圖12所示，實(shí)物圖如圖13所示。
圖12超聲測距模塊實(shí)物規(guī)格圖
圖 13
將超聲波傳感模塊安裝到開發(fā)板上，然后用Jlink仿真器的一端用USB接口與電腦相連，一端的20Pin的JTAG引腳與NXP LPC2378節(jié)點(diǎn)板的J2相連，并給NXP LPC2378節(jié)點(diǎn)板上電，如圖14 所示。
圖14 超聲測距開發(fā)板連接圖距離測量本實(shí)驗(yàn)，通過測距程序完成超聲波發(fā)射的控制、超聲波回波信號的檢測和距離的計(jì)算、左右距離的比較，并顯示。
首先由發(fā)射程序發(fā)射10us的高電平觸發(fā)信號，控制超聲波發(fā)射器發(fā)射8個(gè)40KHz的方波。發(fā)射器發(fā)射完信號，接收器回波電平將拉高。然后開啟定時(shí)器，例如在定時(shí)器輸入頻率為f=12MHz，進(jìn)行N=8分頻后每個(gè)計(jì)數(shù)周期為 。再延時(shí)100us左右以避免發(fā)射探頭的余振的干擾，然后通過在while循環(huán)中查詢外部中斷是不是已經(jīng)捕獲到回波信號，然后獲得計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)值count，計(jì)算距離值。去掉多余的計(jì)數(shù)誤差后 。打開工程Distance，修改Main.c中的內(nèi)容如下。#include "LPC23xx.h"#include "Lcd.h"#include "config.h"void delay(uint32 dly){uint32 i;for(; dly>0; dly--)for(i=0; i0; dly--)for(i=0; i<160; i++); // 約為10us}void ClearRect(int index){switch(index){case 1:drawrect(0,12,128,16,0x2345);break;case 2:drawrect(0,40,128,48,0x2345);break;case 3:drawrect(0,100,128,48,0x2345);break;default:break;}}void LCD_frame()
{
//屏幕初始顯示drawrect(0,0,128,12,0x0000);drawrect(0,12,128,16,0x2345);drawrect(0,28,128,12,0x0000);drawrect(0,40,128,48,0x2345);drawrect(0,88,128,12,0x0000);drawrect(0,100,128,48,0x2345);drawrect(0,148,128,12,0x0000);}int main(){int idx;int xpos,ypos;long count,distance;char sndBuf[20];//通訊板IO控制引腳設(shè)置IO1DIR &=~(1<<16); //IOZ/A 輸入--接收開關(guān)狀態(tài)信號delay(10);//P3.0~P3.7定義為IO引腳PINSEL6 &=0x0000;//定義P3.1為輸入，P3.3為輸出FIO3DIR0=0;FIO3DIR0 |=1<<3;//設(shè)置LCD屏幕引腳PINSEL3=PINSEL3 & 0x;IO1DIR=IO1DIR|0x;//屏幕初始化RESET0;//復(fù)位delay(50);RESET1;delay(100);lcd_init();delay(20);LCD_frame();DispAscStr(0,12," ",2,&xpos,&ypos);DispChnStr(xpos,ypos,"超聲模塊測試",6,&xpos,&ypos);
ClearRect(2);
idx=0;while(1){delay10us(100);//發(fā)送10us啟動電平FIO3PIN0 |=1<<3;delay10us(1);FIO3PIN0 &=~(1<<3);//等待高電平出現(xiàn)while(!(FIO3PIN0&(1<<1)));//配置定時(shí)器0T0TC=0; //清除定時(shí)器值T0PR=0x10; //預(yù)分頻寄存器T0CTCR=0; //定時(shí)器模式，檢測PCLK邊沿T0TCR=0x01; //計(jì)數(shù)器使能、計(jì)數(shù)器復(fù)位delay(1);//等待降為低電平while(FIO3PIN0&(1<<1));//顯示距離值，大概80為1cmcount=T0TC;distance=count/80;sndBuf[0]='d';sndBuf[1]='=';sndBuf[2]=distance /+'0'; //萬sndBuf[3]=distance %/1000+'0'; //千sndBuf[4]=distance %1000/100+'0'; //百sndBuf[5]=distance %100/10+'0'; //十sndBuf[6]=distance %10+'0'; //個(gè)sndBuf[7]='c';sndBuf[8]='m';DispAscStr(0,40,sndBuf,9,&xpos,&ypos);delay10us(3000);}return 0;}倒車實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)?zāi)７碌管嚕?dāng)距離小于20cm時(shí)，提示司機(jī)注意安全倒車距離，大于安全距離時(shí)顯示距離障礙物的距離。修改Main.c中的代碼如下：
//模仿倒車，當(dāng)距離小于20cm時(shí)發(fā)出警告，并顯示當(dāng)前距離值
聲速測量
利用聲速、傳播時(shí)間、傳播距離的關(guān)系，模仿實(shí)驗(yàn)條件，簡單的測出實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的聲速的大概值。
例如在NXP實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)板定時(shí)器輸入頻率為f=12MHz，進(jìn)行N=8分頻后每個(gè)計(jì)數(shù)周期為 ，假設(shè)超聲波聲速為c，則由 ，可知 。
自動門實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)?zāi)７伦詣娱T的功能。初始時(shí)，門關(guān)閉。當(dāng)有人到達(dá)門前，原有的距離被改變，當(dāng)人與測距器的距離達(dá)到臨界值時(shí)(例如距離小于50cm)，打開自動門。否則，認(rèn)為沒有人員的到來，關(guān)閉自動門。
idx=0;//初始狀態(tài)，門處于關(guān)閉狀態(tài)if((distance50)&&(idx==0)){drawrect(0,40,128,48,0x2345);DispAscStr(0,40,"status:close",12,&xpos,&ypos);idx=1;//打開門}
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超聲測距傳感器原理：超聲波簡介與傳感器工作原理
我們把頻率高于20KHz的聲波稱為超聲波，超聲波具有良好的方向性和穿透能力，特別是在水中，傳播距離更遠(yuǎn)。無論是在軍事上、農(nóng)業(yè)上還是在生活中都有廣泛的應(yīng)用，可以用來測速度、測距離、消毒殺菌、清洗、焊接等。
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1超聲波簡介
我們把頻率高于20KHz的聲波稱為超聲波，超聲波具有良好的方向性和穿透能力，特別是在水中，傳播距離更遠(yuǎn)。無論是在軍事上、農(nóng)業(yè)上還是在生活中都有廣泛的應(yīng)用，可以用來測速度、測距離、消毒殺菌、清洗、焊接等。
人耳能聽到的超聲波頻率范圍大概是20Hz-20KHz，超聲波的頻率大于人類聽覺上限，因此叫做“超聲波”。
超聲波與普通聲波一樣，也具有反射、折射、衍射、散射等特點(diǎn)，但是超聲波的波長較短，有的是幾厘米，最低可至千分之幾毫米。波長越短，聲波的衍射特性就越差，可以在介質(zhì)中穩(wěn)定地進(jìn)行直線傳播，因此波長較短的超聲波具有很強(qiáng)的直線傳播能力。眾所周知，聲音在空氣中傳播時(shí)，會推動空氣中的粒子振動做功，而聲波功率的大小表示聲波做功快慢，在相同環(huán)境下，聲波的頻率越高功率就越大。超聲波的頻率大于20KHz，因此超聲波的功率較高。
超聲波主要有兩個(gè)參數(shù)：
頻率：F≥Hz（通常把F≥Hz的聲波也稱為超聲波）；功率密度：p=發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(cm2)；通常p≥0.3w/cm。
超聲波具有如下特性：
（1） 超聲波具有在氣體、液體、固體等介質(zhì)中進(jìn)行效傳播的能力。（2） 超聲波具有很強(qiáng)的傳遞能量的能力。（3） 超聲波具有反射特性，還會產(chǎn)生干涉、疊加和共振現(xiàn)象。（4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生空化現(xiàn)象和強(qiáng)烈的沖擊。
2超聲波用途
超聲波在生活中的很多方面都有應(yīng)用，主要有以下幾個(gè)方面：
1）醫(yī)學(xué)方面
在醫(yī)學(xué)方面，超聲波主要應(yīng)用為醫(yī)學(xué)診斷與臨床治療。醫(yī)學(xué)診斷中，超聲波的主要應(yīng)用為B超。由于超聲波具有反射、折射等特點(diǎn)，如果將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，它就會在人體內(nèi)部發(fā)生反射，人體內(nèi)部各個(gè)器官形狀大小都不一樣，因此反射回來的聲波方向、強(qiáng)度等信息也不同，醫(yī)生通過對反射回來的聲波進(jìn)行分析，再結(jié)合一些醫(yī)學(xué)方面的專業(yè)知識，就可以知道人體內(nèi)部的某些部位是否產(chǎn)生病變。
在臨床治療中，超聲波主要被用來殺死腫瘤細(xì)胞和超聲針灸，我們知道超聲波的功率很大，利用醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，將多束超聲波聚焦在病變的細(xì)胞上，控制好照射的強(qiáng)度和時(shí)間，短時(shí)間的溫度將達(dá)到70~100℃，在保護(hù)周圍組織的同時(shí)殺死了病變細(xì)胞。
超聲針灸就是利用超聲波技術(shù)來刺激穴位，這種療法對組織沒有損傷，而且具有無痛、無不適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在治療小孩子或者一些害怕針灸的患者時(shí)有很好的效果。此外，超聲波在體外碎石，理療、牙科等方面也經(jīng)常使用。
2）超聲清洗
超聲清洗主要基于空化作用，空化作用總體上就是在有壓力和無壓力作用時(shí)，每一秒都進(jìn)行著幾萬次這樣的變換，超聲波在液體內(nèi)部不斷地進(jìn)行透射作用，在沒有壓力作用時(shí)，液體內(nèi)部就會出現(xiàn)真空核泡群，在有壓力作用時(shí)，真空核泡群在壓力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，因此可以帶走物體表面的污垢，完成清洗工作。一些表面凹凸不平的器件，或者特別小難以清洗的部件，例如鐘表、電子元器件、電路板等都可以達(dá)到很好的清洗效果。而且隨著超聲波頻率的升高，空化作用的效果會減弱，因此超聲波清理的效果很好卻不會傷害到器件表面。
3）超聲測距
由于超聲波的波長相對較短，具有良好的方向性和穿透能力，能量消耗的比較慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)。而且超聲測距的原理簡單，比其他的測距方式都方便容易操作，計(jì)算也比較簡便，測量精度也能滿足要求，因此在一些移動式機(jī)器人或者導(dǎo)盲系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。
3 超聲波傳感器1）超聲波傳感器簡介
超聲波傳感器是根據(jù)超聲波的一些特性制造出來的，用于完成對超聲波的發(fā)射和接收，內(nèi)部的換能晶片受到電壓的激勵而發(fā)生振動產(chǎn)生超聲波，超聲波的頻率高、波長短、方向性好、可以線性傳播、對液體或者固體有不錯(cuò)的穿透效果，比如一些不透明的物體，超聲波可以穿透幾十米，而且它在遇到雜質(zhì)等等物體時(shí)會發(fā)生反射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生回波。
想要用超聲波完成檢測工作，必須要有一個(gè)既可以發(fā)出超聲波又可以接收超聲波的裝置，能實(shí)現(xiàn)這樣功能的裝置我們稱為超聲波傳感器，也叫作超聲波換能器或者超聲探頭。
超聲波傳感器內(nèi)部的主要部件是壓電晶片，它在受到電壓的刺激時(shí)就可以發(fā)射超聲波，然后由接收端進(jìn)行接收。小功率超聲波傳感器大多用來進(jìn)行檢測，例如一些導(dǎo)盲、坐姿矯正的產(chǎn)品，應(yīng)用的就是小功率傳感器，大功率的超聲波傳感器在生活中并不常見。超聲波傳感器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭（一個(gè)用來發(fā)射、一個(gè)用來接收）等。
2）超聲波傳感器工作原理
超聲波傳感器主要由發(fā)送部分、接收部分、控制部分和電源部分構(gòu)成。
其中，發(fā)送部分由發(fā)送器和換能器構(gòu)成，換能器可以將壓電晶片受到電壓激勵而進(jìn)行振動時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為超聲波，發(fā)送器將產(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去；
接收部分由換能器和放大電路組成，換能器接收到反射回來的超聲波，由于接收超聲波時(shí)會產(chǎn)生機(jī)械振動，換能器可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再由放大電路對產(chǎn)生的電信號進(jìn)行放大；
控制部分就是對整個(gè)工作系統(tǒng)的控制，首先控制發(fā)送器部分發(fā)射超聲波，然后對接收器部分進(jìn)行控制，判斷接收到的是否是由自己發(fā)射出去的超聲波，最后識別出接收到的超聲波的大小；
電源部分就是整個(gè)系統(tǒng)的供電裝置。這樣，在電源作用下、在控制部分控制下，發(fā)送器與接收器兩者協(xié)同合作，就可以完成傳感器所需的功能。
3）超聲波發(fā)生器
為了方便對超聲波的研究和利用，人們設(shè)計(jì)出了許多種類的超聲波發(fā)生器，各種發(fā)生器中超聲波的產(chǎn)生方式不同，有電氣方式也有機(jī)械方式，所以用途也不盡相同。每一種發(fā)生器都有自己的應(yīng)用范圍，但是就目前來講，被普遍使用的還是壓電式超聲波發(fā)生器。
壓電式超聲波發(fā)生器的關(guān)鍵部分是內(nèi)部的壓電晶片，主要是利用壓電晶片的諧振來工作，發(fā)生器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。
在發(fā)生器的兩電極之間外加一個(gè)脈沖信號，當(dāng)外加信號的頻率與壓電晶片的頻率相等時(shí)，壓電晶片就會發(fā)生振動，同時(shí)也會帶動共振板進(jìn)行振動，這時(shí)就會產(chǎn)生超聲波，這就是超聲波發(fā)生器的發(fā)送端；但是如果發(fā)生器的兩電極之間沒有外加脈沖信號，而共振板又接收到了發(fā)射的超聲波時(shí)，就會迫使壓電晶片發(fā)生振動，然后產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這就是超聲波發(fā)生器的接收端。
4）超聲波測距原理
超聲波測距的原理十分簡單，由超聲波的發(fā)射端發(fā)射一束超聲波，在發(fā)射的同時(shí)，計(jì)時(shí)開始，發(fā)射出去的超聲波在介質(zhì)中傳播，聲波具有反射特性，當(dāng)遇到障礙物時(shí)就會反射回來，當(dāng)超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時(shí)，計(jì)時(shí)停止。介質(zhì)為空氣時(shí)，聲速為340m/s，根據(jù)記錄的時(shí)間t，利用公式（2.1）計(jì)算出發(fā)射位置與障礙物之間的距離。
這就是所謂的時(shí)間差測距法。超聲波測距的原理就是已知超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，測量出從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)測量出的時(shí)間來計(jì)算出障礙物的距離。因此，超聲波測距的原理與回聲定位是一樣的。
測距的公式如式（2.2）所示：
式中L為測量的距離長度；C為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；T為測量出傳播時(shí)間的一半。
由于超聲波的波長相對較短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作測量時(shí)具有很高的精度，但是仍然有一些因素可以讓超聲波測距產(chǎn)生誤差。
5）超聲波測距誤差分析
由超聲波測距的公式可知，測距時(shí)誤差產(chǎn)生的原因主要為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度和測量距離時(shí)超聲波傳播所需要的時(shí)間。
假設(shè)要求測量距離時(shí)的誤差小于1mm，已知超聲波在空氣中的傳播速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略掉超聲波的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344)≈0.s 即2.907μs。所以，只要保證測距時(shí)的時(shí)間誤差精度在微妙時(shí)，就可以讓測量誤差小于1mm。
超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，密度越高的時(shí)候超聲波的傳播速度也就越快，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，空氣的密度又與溫度有關(guān)，因此超聲波的傳播速度受溫度影響。
已知超聲波的傳播速度與溫度的關(guān)系如下：式中：r —?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，R —?dú)怏w普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—?dú)怏w分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，T—絕對溫度，273K+T℃。
近似公式為：
式中：表示零0℃時(shí)的聲波傳播速度；T表示實(shí)際的溫度。
另外，在利用超聲波測距時(shí)還要考慮環(huán)境因素，其中最為主要的就是溫度的影響，在0℃和30℃時(shí)，超聲波的速度明顯不同。因此，在進(jìn)行高精度測量時(shí)，應(yīng)考慮到溫度變化的影響。
