超声波在车辆检测器中的应用

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1.概述

超声波是一种非接触式的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等影响，在较恶劣的环境中具有较强的适应能力，具有成本低，体积小，优化升级方便灵活，可靠性高等优点，在越来越多场合中较为适用。超声波车辆检测器不仅可以完成城市道路、高速公路的交通流量、速度的检测，还能提供车辆排队长度、行程时间计算等数据。

英文：.ultrasonic (waves);

supersonic (waves)

　　科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹～5兆赫兹。

　　理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位.利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石（例如胆结石、肾结石祛眼袋 之类的）,还能破坏细菌结构，对物品进行杀菌消毒。

2.超声波车辆检测器工作原理

超声波车辆检测器是根据声波的传播和反射原理，通过对发射波和反射波的时差测量实现位移测量的设备。声波在空气中的传播速度为340m/s，由此可根据反射波和发射波的时差计算出反射物与超声波传感器的距离。超声波车辆检测器的工作原理是：由超声波发生器(探头)发射一束超声波，然后接收从车辆或地面的反射波，根据反射波返回时间的差别，来判断有无车辆通过。由于探头与地面的距离是一定的，所以探头发出超声波并接收反射波的时间也是固定的。当有车辆通过时，由于车辆本身的高度，使探头接收到反射波的时间缩短，就表明有车辆通过或存在。

3.总体方案设计

3.1 系统结构

    超声波车辆检测器的结构如图2所示，主要包括探头部分、主机部分和通讯部分。

安装在道路车道上方的超声波探头对交通流进行实时检测，并对检测到的数据进行分析处理，得出该车道分车型的流量、速度，车道占有率和堵车时间等数据。这些数据通过RS485总线方式被传送到检测器主机。检测器主机得到这些数据后，对这些数据进行分析、处理和存储，并利用RS232或RS485接口通过串口服务器实时传回到数据服务器上；同时检测器会按用户确定的时间周期将数据存于主机内的FLASH芯片上，供日后调用。

3.2 探头

检测器的探头主要功能是：检测每个车道的交通流量、占有率、平均车速以及车辆分类，并将上述数据通过RS485总线传给主机。

检测器探头选用的超声波传感器如图3所示，探头垂直安装在车道上方，每个探头检测一个车道。它通过测量发射和接收超声波的时间差计算出超声波发射和接收所走过的距离，可以得出有无车辆以及车辆高度，进而根据车辆高度对车辆进行分车型；通过连续检测有无车辆计算出每个车道的车辆占有率。通过测量车辆通过传感器的时间和平均车辆长度，就可以确定车速。

在硬件设计结构图中，超声波的发送和接收采用超声波收发器LM1812来实现，如图4所示。LM1812是一种性能优良的，即能发射又能接收超声波的超声波收发器集成电路。LM1812具有保护功能，且散热性好，可输出1A的峰值电流，在水中测距超过30m，在空气测距超过6m，而发射功率可达12W（峰值）^[1]。为了更好的满足实际测距要求，需要添加一级驱动放大电路使探头发射超声波的距离加大 ^[2][3]。

555定时电路产生的调制波输入至LM1812，LM1812就会产生所需频率的调制超声波脉冲，该脉冲信号功率放大后输入超声波传感器，传感器即能产生所需频率的超声波并发射出去。当传感器接收到回波后，传感器产生回波信号经LM1812滤波、放大处理后，传送到单片机，单片机产生中断即可计算出超声波由发射到接收的时间差。

主机通过RS485总线接收来自各个探头的数据帧，通过相应的处理确定单位时间内每个车道的平均车流量、各车型数量统计、平均车速、平均占有率、平均车头时距和堵车时间等，将这些参数定时储存至FLASH存储器中。同时单片机将统计数据可以通过485总线传送给数据服务器。也可通过串口转以太网模块经过网络传送给数据服务器。　　

3.3 主机和探头通讯

主机和探头之间信息传递采用轮询方式。即：每隔一定周期(1分钟或5分钟)向主机依次向各个探头发出数据请求命令，当各个探头接收到主机发给自己的数据帧时，将所检测到的车辆信息传送至主机。

4. 设计难点

车辆检测器探头一般安装在车道上方六米左右的横杆上，产生超声波传输距离至少需要达到12m，同时接收的超声波信号必须稳定可靠。如何尽可能提高超声波传输距离是设计中所遇到的主要难题。提高超声波探测距离主要通过以下几种方法：

（1）增大换能器驱动功率，使驱动换能器的脉冲电压峰峰值更大^[3]。采用NMOS管和高频脉冲变压器相结合的方法可以将峰峰值从12V提高到600V。

（2）提高能量转换效率，使电源提供的能量能够尽可能多的转换为超声波能量。其方法就是超声波驱动电路必须达到频率匹配和阻抗匹配。频率匹配，就是将超声波换能器的静态电容，补偿电容和变压器次级线圈电感在换能器的最佳工作频率下达到谐振。阻抗匹配，就是根据所选MOS管参数，换能器的最小并联电阻来确定脉冲变压器的变压比，从而使MOS管的负载线能够穿过MOS管I_D-V_DS曲线（图6所示）的截止区与恒流区的交接点，这时换能器的输出功率最大，MOS管耗最小。

参考文献：

超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。