无人机传感器与检测技术课件：超声传感器认知与测距实验

超声传感器认知与测距实验项目描述超声传感器是将超声波信号转换成其它能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。本项目拟通过对超声波应用案例调研、超声传感器模块及特性参数调研和超声传感器模块测量物体间距离实验等工作任务，让学生认识超声传感器、掌握超声波特性和超声传感器的基本特性、会用超声传感器模块测量物体间距离，并增强学生的规范操作、团队写作意识。任务一超声波认知任务描述

超声波的波长较短、衍射小，能够定向传播，具有很强的贯穿能力。本任务通过对超声波应用案例的调研来掌握超声波的基本特性。本任务通过对超声波应用案例的调研来掌握超声波的基本特性。任务实施1)列举生活中常见的超声波应用实例，并说明应用场景及主要目的。2)查阅资料，收集超声波应用案例，小组总结汇报超声波的应用情况。

声波是发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播声波人耳能听到的声波f=20Hz~20kHz知识链接能够定向传播，具有很强的贯穿能力，尤其在液体、固体中的衰减很小，对不透光的固体能穿透几十米。超声波f>20kHz1.超声波的反射与折射一、超声波的特性2.超声波的波型及其转换纵波可在固体、液体及气体中传播，横波、表面波只能在固体中传播3.超声波传播中的衰减随着超声波在介质中传播距离的增加，由于介质吸收能量而使超声波声压和声强有所衰减。声压的衰减规律P=P0e-Ad声强的衰减规律I=I0e-2Add为介质的厚度；A为介质对超声波能量的吸收系数二、超声波的传播速度空气中c=331.5+0.607t液体中固体中t为环境温度ρ为介质的密度；Bg为绝对压缩系数E为固体的弹性模量；μ为泊松系数。

超声传感器认知与测距实验任务二压电式超声探头认知任务描述

以超声波作为检测手段，必须有能产生超声波和接收超声波的装置，称为超声波探头或超声波换能器。可根据其工作原理不同将超声波换能器分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等类型。本任务通过调研压电式超声波传感器模块的特性参数来实现对压电式超声波探头的认知。任务实施1)查阅资料，小组总结汇报超声波传感器的类型、工作原理等。2)查阅相关资料，收集超声波传感器模块的类型、性能等资料，填写表4-2。压电式超声波探头的工作原理声强可达几十W/cm2知识链接石英晶体、压电陶瓷、钴钛酸铅（PZT）等压电材料压电材料的固有频率f与晶体片厚度d有关，即n=1,2,3…是谐波的级数；c是波在压电材料中的传播的纵波速度；E是杨氏模量；ρ是压电晶体的密度。

能产生超声波和接收超声波的装置

超声传感器认知与测距实验任务三无人机用超声传感器认知与测距实验任务描述

在近地面，受气压、气温变化较大的影响，用气压高度传感器检测的无人机高度误差过大，已不能满足无人机安全降落的要求。为了解决这一问题，无人机常搭载超声传感器以精确检测无人机在近地面的高度，如DJIPhantom4A无人机。另外，超声波传感器还可用于对无人机周边的障碍物的检测，如北京中科浩电公司生产的E360无人机。本任务旨在通过超声波传感器模块测距实验以达到对超声波传感器的认知。任务实施1）实验室准备HC-SR04超声波传感器模块，UNO单片机控制电路板，排针，杜邦线，USBAtoB数据连接线，Arduino软件等。2）熟悉传感器模块，了解传感器模块的特性参数，了解超声波传感器各端口的名称及功能。3）排针焊接4）硬件连接。HC-SR04模块端口UNO单片机端口说明VCC5V电源TrigP8发射端EchoP9接收端GNDGND接地5）测试程序上传①②③6）测距。无人机载超声波传感器介质：空气知识链接测量距离：2cm~450cm供电电压：5VHY-SRF05超声波模块感应角度：<15°，探测距离：20-4500mm，探测精度：3mm+1%，（1）采用IO口Trig触发测距，发射10μs的高电平信号；（2）模块发出8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回时，通过IO口Echo输出一个高电平，高电平的持续时间即为超声波从发射到返回的时间。超声波模块测距发射器接收器高度检测超声波传感器避障超声波传感器E360无人机搭载的超声波传感器大疆Phantom4A搭载的超声波传感器两种基本类型a)反射型b)透射型1.超声波测厚知识拓展一、超声传感器的工业应用a）单晶直探头b）双晶直探头c）斜探头探头形式超声传感器测量厚度超声传感器测量工件厚度2.超声波测量物位脉冲回波式超声液位测量超声波定点式液位计二、超声传感器的应用应用领域用途应用情况工业测量高度、距离无人机测量厚度（金属与非金属）板材、管材、可在线测量金属材料及部分非金属材料探伤各种制造业超声振动切削加工（金属与非金属）钟表业精密仪表、轴承超声波清洗零件半导体器件生产超声波焊接——超声流量计化学、石油、制药、轻工等超声液位及料位检测及控制污水处理浓度检测能制成便携式硬度计——温度计定向通信定向通信