万方数据超声波探测技术原理实验实验装置及仪器调节孙存英，俞嘉隆，乔卫平回波，通过两者的时间差t，利用公式d=Vot／2计信号的多普勒频移，计算出行驶车辆的车速。假设口，信号速率为"Uo，信号原有频率为厂，运动方向与表达式为：△，=(2·口·cose／矾)厂21。声转换器，信号放大器，反射屏，示波器。此外，还仪器调节1：将超声转换器A连接信号发生信号发生器取脉冲信号。将信号发生器的触发输调节示波器的电压灵敏度和时间灵敏度使信号显超声波探测技术在现代日常生活中最直接最广泛的应用表现为汽车交通领域的超声波测距和测速。超声波测距的应用典型就是汽车防撞雷达，它是测量最近障碍物的距离，并通过显示系统和警报装置告诉驾车者，实现安全倒车停车的目的。其测距原理为超声波装置发射超声波并接收反射算距离，其中d为汽车与障碍物之间的距离，"Vo为声波在介质中的传播速率(vo=331．45×(1+r／273．15)(11∞m／s，r为摄氏温度)[11；而超声波测速的应用如车载或高速公路上安装的超声波测速仪，测速仪发射超声波信号并探测回波信号源和探测器与被探测对象间的相对速率为三者连线的夹角为口，则探测器检测到的频移的根据以上超声波探测装置的工作原理，设计制作了一套实验装置，主要包括：40kHz连续可调、连续信号和脉冲信号可选的信号发生器，信号放大器，超声转换器(3个)，示波器，数据采集系统。旨在使学生了解和掌握超声波探测器的工作原理及其应用。实验装置如图1，主要包括信号发生装置，超有数据采集系统。器，取连续信号。将超声转换器B通过放大器与示波器通道1连接，两个超声转换器面对面相距m左右。调节放大器，使通道1中显示波形的振幅从最大到最小，观察示波器接收的信号。然后调节信号发生器的频率，使得接收信号振幅最大。仪器调节2：两转换器并排放置，相距约10am，反射屏距离转换器为1m。调节两转换器的位置，使接收器能最大限度地接收到发射信号。出端与示波器的外触发输入端连接，将示波器调为外激发模式。将接收信号输入示波器通道1，示便于观察。文章编号：1007—2934(2010)01-0001-03摘要：介绍了超声波测距和超声波测速的基本原理及应用。根据超声波探测技术中的测距和测速原理设计镪作了相关实验组件。利用数据采集系统对超声波测距、超声波测速中的时间延迟、距离、频移量进行了测量，给出了声速、计算距离，相对速率等结果及误差分析。关键词：超声波测速；超声波测距；数据采集系统中图分类号：0426．2文献标识码：AkHz～48第23卷第1期2010年2月大学物理实验0F(上海交通大学，上海收稿日期：2009-05—22基金项目：上海交通大学985教改项目(1"311407218)主要实验装置圈1PHYSICAI．EXPERIMENTCOLLEGEV01．23No．1Feb．2010200240)图1万方数据一～Jk⋯l实验内容厂————=一表达式：z一331．45√1+而≠砭m／s，计算的声将输入示波器通道1的信号及外触发信号通信号相对于触发信号的时间延迟t，测出对应反置，所以信号传播距离近似为2d。根据上表，传d和时间延迟t之间的关系曲线见图3。矾)，，若已知信号的发射频率，、声速Vo，倾角口，测量了频移，就可以知道相对移动速率(车用或高2测量声速及测量反射屏离探测器的距离过数据采集装置输入电脑，软件参数设置后，电脑界面见图2。根据图2左侧数据列给出的结果，记录回波射屏到探测器的距离d，多次测量结果如表1所示。超声波信号从超声转换器传播到反射屏然后再传到接收转换器，由于两个超声转换器并排放播距离2根据图3所示，实验数据相关系数大于0．999，斜率(即声速)为346m／s。当时的实验室温度为21℃，代人空气中的声速与环境温度的函数速为344m／s。实验所得声速与理论比较，相对误差为0．006。如果已知时间延迟，乘以直线的斜率(测出的声速)即可推算对应的距离。实验测得的时间延迟￡、计算距离dh实测距离dz，计算距离相对实测距离的相对误差“均列入表2。根据表2，计算距离和实测距离相比，相对误差不超过百分之三。距离减小时误差增大，这是因为距离短时测量结果(包括时间延迟量和距离的测量)受读数误差影响较大所致。根据以上分析，如探测了时间延迟就可以推算被探测物的位置了。根据多普勒效应测运动物体的速率根据多普勒频移公式△厂=(2·口·cosS／速公路用的测速仪通常取45。倾角)。为了便于操作，研究了两转换器沿同一直线的相对运动，此种情况下的频移表达式简化为：Af=f·移／Vo，测量结果如图4所示[2l。超声波探测技术原理实验2．22．1圈2数据采集软件记录的时间延迟表1时间延迟t和对应的探测器到反射屏的距离d的数据表积{图3传播距离与时间延迟之间的关系曲线表2根据时间延迟计算