超聲波在車輛檢測(cè)器中的應(yīng)用

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1.概述

超聲波是一種非接觸式的檢測(cè)方式，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響，在較惡劣的環(huán)境中具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，具有成本低，體積小，優(yōu)化升級(jí)方便靈活，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在越來(lái)越多場(chǎng)合中較為適用。超聲波車輛檢測(cè)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(cè)，還能提供車輛排隊(duì)長(zhǎng)度、行程時(shí)間計(jì)算等數(shù)據(jù)。

英文：.ultrasonic (waves);

supersonic (waves)

　　科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們?nèi)祟惗淠苈?tīng)到的聲波頻率為20Hz～20000Hz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)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(yī)學(xué)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(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大.在中國(guó)北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)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(dá)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(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎，從而減緩病痛，達(dá)到治愈的目的。超聲波在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用非常廣泛，像現(xiàn)在的彩超、B超、碎石（例如膽結(jié)石、腎結(jié)石祛眼袋 之類的）,還能破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu)，對(duì)物品進(jìn)行殺菌消毒。

2.超聲波車輛檢測(cè)器工作原理

超聲波車輛檢測(cè)器是根據(jù)聲波的傳播和反射原理，通過(guò)對(duì)發(fā)射波和反射波的時(shí)差測(cè)量實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的設(shè)備。聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，由此可根據(jù)反射波和發(fā)射波的時(shí)差計(jì)算出反射物與超聲波傳感器的距離。超聲波車輛檢測(cè)器的工作原理是：由超聲波發(fā)生器(探頭)發(fā)射一束超聲波，然后接收從車輛或地面的反射波，根據(jù)反射波返回時(shí)間的差別，來(lái)判斷有無(wú)車輛通過(guò)。由于探頭與地面的距離是一定的，所以探頭發(fā)出超聲波并接收反射波的時(shí)間也是固定的。當(dāng)有車輛通過(guò)時(shí)，由于車輛本身的高度，使探頭接收到反射波的時(shí)間縮短，就表明有車輛通過(guò)或存在。

3.總體方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    超聲波車輛檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括探頭部分、主機(jī)部分和通訊部分。

安裝在道路車道上方的超聲波探頭對(duì)交通流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線方式被傳送到檢測(cè)器主機(jī)。檢測(cè)器主機(jī)得到這些數(shù)據(jù)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)，并利用RS232或RS485接口通過(guò)串口服務(wù)器實(shí)時(shí)傳回到數(shù)據(jù)服務(wù)器上；同時(shí)檢測(cè)器會(huì)按用戶確定的時(shí)間周期將數(shù)據(jù)存于主機(jī)內(nèi)的FLASH芯片上，供日后調(diào)用。

3.2 探頭

檢測(cè)器的探頭主要功能是：檢測(cè)每個(gè)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(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線傳給主機(jī)。

檢測(cè)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(gè)探頭檢測(cè)一個(gè)車道。它通過(guò)測(cè)量發(fā)射和接收超聲波的時(shí)間差計(jì)算出超聲波發(fā)射和接收所走過(guò)的距離，可以得出有無(wú)車輛以及車輛高度，進(jìn)而根據(jù)車輛高度對(duì)車輛進(jìn)行分車型；通過(guò)連續(xù)檢測(cè)有無(wú)車輛計(jì)算出每個(gè)車道的車輛占有率。通過(guò)測(cè)量車輛通過(guò)傳感器的時(shí)間和平均車輛長(zhǎng)度，就可以確定車速。

在硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖中，超聲波的發(fā)送和接收采用超聲波收發(fā)器LM1812來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。LM1812是一種性能優(yōu)良的，即能發(fā)射又能接收超聲波的超聲波收發(fā)器集成電路。LM1812具有保護(hù)功能，且散熱性好，可輸出1A的峰值電流，在水中測(cè)距超過(guò)30m，在空氣測(cè)距超過(guò)6m，而發(fā)射功率可達(dá)12W（峰值）^[1]。為了更好的滿足實(shí)際測(cè)距要求，需要添加一級(jí)驅(qū)動(dòng)放大電路使探頭發(fā)射超聲波的距離加大 ^[2][3]。

555定時(shí)電路產(chǎn)生的調(diào)制波輸入至LM1812，LM1812就會(huì)產(chǎn)生所需頻率的調(diào)制超聲波脈沖，該脈沖信號(hào)功率放大后輸入超聲波傳感器，傳感器即能產(chǎn)生所需頻率的超聲波并發(fā)射出去。當(dāng)傳感器接收到回波后，傳感器產(chǎn)生回波信號(hào)經(jīng)LM1812濾波、放大處理后，傳送到單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷即可計(jì)算出超聲波由發(fā)射到接收的時(shí)間差。

主機(jī)通過(guò)RS485總線接收來(lái)自各個(gè)探頭的數(shù)據(jù)幀，通過(guò)相應(yīng)的處理確定單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)車道的平均車流量、各車型數(shù)量統(tǒng)計(jì)、平均車速、平均占有率、平均車頭時(shí)距和堵車時(shí)間等，將這些參數(shù)定時(shí)儲(chǔ)存至FLASH存儲(chǔ)器中。同時(shí)單片機(jī)將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以通過(guò)485總線傳送給數(shù)據(jù)服務(wù)器。也可通過(guò)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給數(shù)據(jù)服務(wù)器。　　

3.3 主機(jī)和探頭通訊

主機(jī)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(jī)依次向各個(gè)探頭發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，當(dāng)各個(gè)探頭接收到主機(jī)發(fā)給自己的數(shù)據(jù)幀時(shí)，將所檢測(cè)到的車輛信息傳送至主機(jī)。

4. 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

車輛檢測(cè)器探頭一般安裝在車道上方六米左右的橫桿上，產(chǎn)生超聲波傳輸距離至少需要達(dá)到12m，同時(shí)接收的超聲波信號(hào)必須穩(wěn)定可靠。如何盡可能提高超聲波傳輸距離是設(shè)計(jì)中所遇到的主要難題。提高超聲波探測(cè)距離主要通過(guò)以下幾種方法：

（1）增大換能器驅(qū)動(dòng)功率，使驅(qū)動(dòng)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(jié)合的方法可以將峰峰值從12V提高到600V。

（2）提高能量轉(zhuǎn)換效率，使電源提供的能量能夠盡可能多的轉(zhuǎn)換為超聲波能量。其方法就是超聲波驅(qū)動(dòng)電路必須達(dá)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(tài)電容，補(bǔ)償電容和變壓器次級(jí)線圈電感在換能器的最佳工作頻率下達(dá)到諧振。阻抗匹配，就是根據(jù)所選MOS管參數(shù)，換能器的最小并聯(lián)電阻來(lái)確定脈沖變壓器的變壓比，從而使MOS管的負(fù)載線能夠穿過(guò)MOS管I_D-V_DS曲線（圖6所示）的截止區(qū)與恒流區(qū)的交接點(diǎn)，這時(shí)換能器的輸出功率最大，MOS管耗最小。

參考文獻(xiàn)：

超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過(guò)不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)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(duì)聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)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(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來(lái)對(duì)大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查，在材料科學(xué)中用來(lái)顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù)，其原理與光波的全息術(shù)基本相同，只是記錄手段不同而已（見(jiàn)全息術(shù)）。用同一超聲信號(hào)源激勵(lì)兩個(gè)放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過(guò)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(shí)產(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲得物的重現(xiàn)像，通常用攝像機(jī)和電視機(jī)作實(shí)時(shí)觀察。