超聲波應用于車輛檢測器的設計
2012/5/9 21:58:50??????點擊：
超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫學、軍事、工業、農業上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。
超聲波是一種非接觸式的檢測方式，它不受光線、被測對象顏色等影響，在較惡劣的環境中具有較強的適應能力，具有成本低，體積小，優化升級方便靈活，可靠性高等優點，在越來越多場合中較為適用。超聲波車輛檢測器不僅可以完成城市道路、高速公路的交通流量、速度的檢測，還能提供車輛排隊長度、行程時間計算等數據。
英文：.ultrasonic (waves);
supersonic (waves)
超聲波
科學家們將每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz～20000Hz。當聲波的振動頻率大于20KHz或小于20Hz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫學診斷的超聲波頻率為1兆赫茲～5兆赫茲。
理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個物體振動的能量與振動頻率成正比，超聲波在介質中傳播時，介質質點振動的頻率很高，因而能量很大.在中國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣濕度.這就是超聲波加濕器的原理.如咽喉炎、氣管炎等疾病，很難利用血流使藥物到達患病的部位.利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠提高療效.利用超聲波巨大的能量還可以使人體內的結石做劇烈的受迫振動而破碎，從而減緩病痛，達到治愈的目的。超聲波在醫學方面應用非常廣泛，像現在的彩超、B超、碎石（例如膽結石、腎結石祛眼袋 之類的）,還能破壞細菌結構，對物品進行殺菌消毒。
超聲波
2.超聲波車輛檢測器工作原理
超聲波車輛檢測器是根據聲波的傳播和反射原理，通過對發射波和反射波的時差測量實現位移測量的設備。聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，由此可根據反射波和發射波的時差計算出反射物與超聲波傳感器的距離。超聲波車輛檢測器的工作原理是：由超聲波發生器(探頭)發射一束超聲波，然后接收從車輛或地面的反射波，根據反射波返回時間的差別，來判斷有無車輛通過。由于探頭與地面的距離是一定的，所以探頭發出超聲波并接收反射波的時間也是固定的。當有車輛通過時，由于車輛本身的高度，使探頭接收到反射波的時間縮短，就表明有車輛通過或存在。
3.總體方案設計
3.1 系統結構
超聲波車輛檢測器的結構如圖2所示，主要包括探頭部分、主機部分和通訊部分。
安裝在道路車道上方的超聲波探頭對交通流進行實時檢測，并對檢測到的數據進行分析處理，得出該車道分車型的流量、速度，車道占有率和堵車時間等數據。這些數據通過RS485總線方式被傳送到檢測器主機。檢測器主機得到這些數據后，對這些數據進行分析、處理和存儲，并利用RS232或RS485接口通過串口服務器實時傳回到數據服務器上；同時檢測器會按用戶確定的時間周期將數據存于主機內的FLASH芯片上，供日后調用。
3.2 探頭
檢測器的探頭主要功能是：檢測每個車道的交通流量、占有率、平均車速以及車輛分類，并將上述數據通過RS485總線傳給主機。
檢測器探頭選用的超聲波傳感器如圖3所示，探頭垂直安裝在車道上方，每個探頭檢測一個車道。它通過測量發射和接收超聲波的時間差計算出超聲波發射和接收所走過的距離，可以得出有無車輛以及車輛高度，進而根據車輛高度對車輛進行分車型；通過連續檢測有無車輛計算出每個車道的車輛占有率。通過測量車輛通過傳感器的時間和平均車輛長度，就可以確定車速。
在硬件設計結構圖中，超聲波的發送和接收采用超聲波收發器LM1812來實現，如圖4所示。LM1812是一種性能優良的，即能發射又能接收超聲波的超聲波收發器集成電路。LM1812具有保護功能，且散熱性好，可輸出1A的峰值電流，在水中測距超過30m，在空氣測距超過6m，而發射功率可達12W（峰值）[1]。為了更好的滿足實際測距要求，需要添加一級驅動放大電路使探頭發射超聲波的距離加大 [2][3]。
555定時電路產生的調制波輸入至LM1812，LM1812就會產生所需頻率的調制超聲波脈沖，該脈沖信號功率放大后輸入超聲波傳感器，傳感器即能產生所需頻率的超聲波并發射出去。當傳感器接收到回波后，傳感器產生回波信號經LM1812濾波、放大處理后，傳送到單片機，單片機產生中斷即可計算出超聲波由發射到接收的時間差。
主機通過RS485總線接收來自各個探頭的數據幀，通過相應的處理確定單位時間內每個車道的平均車流量、各車型數量統計、平均車速、平均占有率、平均車頭時距和堵車時間等，將這些參數定時儲存至FLASH存儲器中。同時單片機將統計數據可以通過485總線傳送給數據服務器。也可通過串口轉以太網模塊經過網絡傳送給數據服務器?！ ?/P>
3.3 主機和探頭通訊
主機和探頭之間信息傳遞采用輪詢方式。即：每隔一定周期(1分鐘或5分鐘)向主機依次向各個探頭發出數據請求命令，當各個探頭接收到主機發給自己的數據幀時，將所檢測到的車輛信息傳送至主機。
4. 設計難點
車輛檢測器探頭一般安裝在車道上方六米左右的橫桿上，產生超聲波傳輸距離至少需要達到12m，同時接收的超聲波信號必須穩定可靠。如何盡可能提高超聲波傳輸距離是設計中所遇到的主要難題。提高超聲波探測距離主要通過以下幾種方法：
（1）增大換能器驅動功率，使驅動換能器的脈沖電壓峰峰值更大[3]。采用NMOS管和高頻脈沖變壓器相結合的方法可以將峰峰值從12V提高到600V。
（2）提高能量轉換效率，使電源提供的能量能夠盡可能多的轉換為超聲波能量。其方法就是超聲波驅動電路必須達到頻率匹配和阻抗匹配。頻率匹配，就是將超聲波換能器的靜態電容，補償電容和變壓器次級線圈電感在換能器的最佳工作頻率下達到諧振。阻抗匹配，就是根據所選MOS管參數，換能器的最小并聯電阻來確定脈沖變壓器的變壓比，從而使MOS管的負載線能夠穿過MOS管ID-VDS曲線（圖6所示）的截止區與恒流區的交接點，這時換能器的輸出功率最大，MOS管耗最小
（3）提高接收靈敏度。驅動超聲波換能器為中頻模擬信號，當換能器接收到回波后，驅動電路產生微弱的中頻模擬回波信號。由于回波模擬信號非常微弱，在電路板上走線盡可能的粗，同時信號線不要彎曲，否則將造成信號的衰減，進而降低接收靈敏度。
參考文獻：
超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。超聲成像是利用超聲波呈現不透明物內部形象的技術。把從換能器發出的超聲波經聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，利用掃描系統可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術已在醫療檢查方面獲得普遍應用，在微電子器件制造業中用來對大規模集成電路進行檢查，在材料科學中用來顯示合金中不同組分的區域和晶粒間界等。聲全息術是利用超聲波的干涉原理記錄和重現不透明物的立體圖像的聲成像技術，其原理與光波的全息術基本相同，只是記錄手段不同而已（見全息術）。用同一超聲信號源激勵兩個放置在液體中的換能器，它們分別發射兩束相干的超聲波：一束透過被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖，用激光束照射聲全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時產生的衍射效應而獲得物的重現像，通常用攝像機和電視機作實時觀察。
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