杨礴GPS声纳定位实验9资料

1、GPS声纳定位实验913应用物理（1）班 杨礴2013326601111一、实验目的1.利用时差法测量声速和距离2了解声纳原理，用超声波定位目标。二、实验原理1. 测量仪的电路结构水下超声定位仪的电路结构组成如图3-1所示，整个系统由89C51系列单片机 来控制。启动测量时，由单片机每隔20ms发出数个1MHz的超声波,驱动超声波发 射器的功率电路发射出超声脉冲，同时启动单片机的计时器。当脉冲到达被测目 标时，发生反射，经水的传播被超声波接收器接收，再由放大电路进行滤波放大， 使单片机产生中断，计数停止，数码显示器把测得的时间显示并由单片机将该数 据进行存储，同时可从换能器的旋转盘上读取方向角

2、度值，由此实现定位的功能。图3-1水下超声定位仪的电路结构2.超声波的定位原理超声波探测物体的位置是通过测距和测角同时来确定的。 超声波测距的 方法较多，例如渡越时间测距法、声波幅值测距法、相位测距法。它们各有各自 的特点，但用得最多的是渡越时间测距法，本仪器采用的就是超声波渡越时间测 距法。其工作原理如下：检测从超声波发射器发出的超声波， 经水介质的传播到 接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与水中的声速 v相乘，就是声波传输的距 离。由于在该仪器中，利用计算机程序中已将传输时间除以 2,因此数码显示器显示的时间就是探测器到被测物的时间t，其探测到的距离l，如下式所示:(3-1)丨=vt对(3

3、-1)式两边微分可得：dl =vdt tdv(3-2)式(3-2)说明，超声波测距传感器的测试精度是由渡越时间和声速两个参数的(3-3)精度决定。如将v看作常量，则(3-2)式可简化为：dl =vdt =v/ f式(3-3)表明：计时电路的计时频率越高，传感器的测试精度越高，因此我们在设计时把计时频率设计在24MHz,时间分辨率为0.5us。超声波的传播速度受介 质温度影响最大，超声波速度v与环境温度T的关系可由以下经验公式给出：(3-4)v =4 疋3 3 .4 疋 J(T +2 7 3 $2 7 3 6同时该温度下的速度v也可利用逐差法通 过实测的方法来求得，而目标的角度测量可直 接从换能

4、器的方向旋转刻度盘读取。对目标进行定位。知道目标的相对参考点 处于什么位置，可以用直角坐标描述，也可以 用极坐标描述，本实验用极坐标来描述目标位 置，如图3-2所示，知道l和就确定了目标方 位，l的测量用超声波。实验模拟装置由圆柱体 容器以及安装在容器壁上的探测传感器等附件 组成。被测物1挂在具有丝杆装置可使其沿容 器半径方向作径向移动的横梁 2上，即被测物 可位于横梁任一位置。同时横梁2可以绕容器中心0旋转，3是换能器与可读取方向角度值 的旋转盘。我们设计的仪器横梁转动角度，的变动范围是一90 +90换能器转动角度 范围也是从90 +90被测物在圆柱半径方向可以在018.0cm之间变化。3

5、实验数据的计算首先，在初始时刻，当换能器置于 =0。时，仪器横梁也处在=0位置, 即在同一直径上，此时可以利用经验公式(3-4)求取v (亦可利用逐差法测出超声 波的波速)。利用测量仪测出回波的时间tp，从而可求出探测器到圆柱体容器中心的长度P “tp，从而完成仪器的定标。然后，利用被测物1换能器3的位置与角度以及圆柱体容器中心 0三点构成的三角形，根据余弦定理可得：r二 JP2 l2_2Plco()(3-5)v arccos( , P2 r 2 - l2 2r P )(3-6) ? ?其中r和；表示了根据实测所得到的实验值。为了使实验者在实验中便于比 较，在软件中确定被测物可以作三种形式的运

6、动，因此在软件开发时我们设定了直线段、圆弧、抛物线三种标准曲线。只要在开始实验时，确定好被测物的运动 轨迹、起始点与终点坐标、角度步长和长度步长.：r，该软件即可给出该被测 物的运动轨迹上每一个测量点坐标的理论值r与二。实验者在实验完成后，将所得实验结果输入计算机，该软件即可自动用列表与绘图的方式给出实验结果(r，二)与理论值(r，二)的相对误差及运动轨迹图。三、实验仪器GPS水下超声定位仪一套四、实验内容1定标，求传感器到圆柱体容器中心的长度P测量实验室的温度，利用公式(3-4)算出在当前温度下，声波在水中的传播速 度。也可以当和二在0寸，被测物每移动10.0mm，测量一次时间，至少测量 1

7、0次，然后用逐差法通过实测的方法来求得该温度下的速度 v。用仪器中所带的 薄铜片挂在圆柱体容器中心下的螺钉上，测量时间，计算长度 P。2. 运动轨迹追踪确定好被测物的运动轨迹、起始点与终点坐标、角度步长宀和长度步长冷， 用软件即可给出该被测物的运动轨迹上每一个测量点坐标的理论值 r与二，将被 测物每放置一个位置测量一次时间和角度 。学生可利用被测物、换能器的位置 与角度以及圆柱体容器中心三点构成的三角形，根据余弦定理求得 r和二。五、数据结果1被测物体直线运动编号12345678ti (US)123129136142149156162170ri (cm)4567891011(cm)4.435.

8、266.237.068.038.999.8210.93(Ar/r )100%-10.70-5.17-3.78-0.82-0.320.061.750.62Ar (cm)-0.43-0.26-0.23-0.06-0.030.010.180.072.被测物体做圆周运动编号12345678ti (us)163162159156152145138130010151823263034ri (cm)1010101010101010F(cm)9.969.989.949.8510.019.629.549.48(Ar/r)100%-0.37-0.19-0.64-1.490.06-3.75-4.62-5.23也 r

9、 (cm)-0.04-0.02-0.06-0.150.01-0.38-0.46-0.520102030405060700.013.625.032.043.251.361.471.630/8)100%Inf35.7824.976.717.972.702.272.33A00.003.584.992.013.191.351.361.633做出物体运动的轨迹图0604+理论値 +实峻值半+4-0.6-o.a0.09C.10110.040.0503Q070.08x/m0 070 060 050 040 030 020.010.050 060.08六、结果讨论1.由运动轨迹图可以得出，实验值与理论值比较接近。但由于 测量距离偏小, 因此得出的误差也会较小。若测量距离增加，所得被测物体运动轨迹的误差可能 会更大。？2声波的接受器需要大致对着被测物体?,否则会出现接收不到反射声波的现 象。以致于仪器所显示的时间为 0.3在实验过程中，不需要使用仪器的存储功能，只需要记录物体