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摘要：功能陶瓷材料在我们的日常生活中越来越常见，而压电陶瓷材料是功能陶瓷中运用相当广泛的一类材料。采用传统陶瓷制备工艺制备基于Sc改性的Mn掺杂BF-BT体系陶瓷压电陶瓷，在实际生产应用中有着非常不俗的表现。使用XRD、SEM、阻抗等精密仪器对该体系陶瓷样品进行性能测试，以应用为导向，分析BF-BT-BS陶瓷各项性能指标。将压电陶瓷材料应用于超声波换能器，经过设计的换能器产生的超声波具有衍射现象小、方向指向性好、可以定向传播的优点。基于超声换能器的超声波测距传感器具有盲区小、精度高、指向性好、探测范围大优点，广泛应用于倒车检测系统、导盲系统、室内精确定位等。本文将高性能无铅压电陶瓷材料制成的超声测距传感器应用于防近视系统，将超声换能器应用于距离测量的传感器，具有测量精度高、方向指向性好、测量量程大等特點，利用STC单片机进行测距与智能控制，以实现与现广泛使用的Android设备终端相结合，并能够在电子设备终端实时判断人眼与设备屏幕的距离，根据实际情况在智能终端提醒用户健康用眼，从而达到防近视的目的。
关键词：压电陶瓷性能；压电超声换能器；超声测距；Android防近视系统
一、压电材料的研究进展
（一）压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应
（二）压电材料的发展历程
自上个世纪40年代中期以来，压电陶瓷材料在生产生活当中得到了相当广泛的应用，关于压电、铁电材料等方面的研究也因此得到了不断的发展。目前，压电陶瓷材料是目前国际竞争极其激烈的高新技术材料之一。该材料不仅具有性质稳定、机电耦合系数高等优点，而且成本低廉、适合进行大批量生产。尽管压电陶瓷材料上述不可比拟的优越性，但深入一些条件苛刻的领域内部的应用同时也不断地对压电陶瓷提出了更高的性能要求，目前，压电陶瓷材料性能的改良可以通过掺杂、取代、改变工艺等方法，从而不断地提高其各项性能，根据性能的不同可以将压电陶瓷片应用到不同的产品。
二、压电效应的原理
当电介质材料受到一定外力的作用时，电介质外表面发生微小的形变，同时，该电介质材料内部会产生电极化现象，在材料的两个外表面产生相反电荷形成电势差的现象，当外力去掉之后，电介质材料又能够还原到原来不带电、不变形的状态，这种现象称为正压电效应。反之，电介质材料因外电场作用而产生微小形变的现象称为逆压电效应[1]。
三、超声测距防近视系统的设计与实现
（一）超声测距原理
目前，利用超声波测距的原理主要有三种：相位比较法[2]、声波幅值检测法、渡越时间检测法。渡越时间法原理比较简单易懂，硬件电路也较容易实现，就是测量经超声波发射器出发的超声波反射后进入接收器的时间，这段时间就是称为渡越时间[3]，已知空气的声速利用公式（1.1）便可以得出测试点与障碍物之间的距离值。
d=c×t÷2 （1.1）
式子中：d为距离，单位m，c为声速，单位是m/s；t为超声波在空气中的传播的时间，以秒为单位；
（二）防近视系统
1.硬件设计
设计单片机驱动超声探头的驱动电路，使得收发一体式的超声传感器能够发射一定频率的超声波，以及能够接收固有频率的超声波反射回波，回波经过运算放大器的滤波、放大、整形后传入单片机中断接口，单片机通过定时器计算出超声波在发射后，经过障碍物的反射再传回超声探头的时间间隔，从而可以计算出发射点与障碍物之间的距离值，通过低功耗蓝牙4.0模块上传至电子终端设备。随着电子信息工业的快速发展，微型化的硬件设计越来越离不开计算机的辅助设计，Altuim designer在PCB（印刷电路板）板的设计方面越来越成熟，具有高效、准确、高可靠等特点，是目前国内最为广泛使用的PCB设计工具之一。实现硬件系统内嵌到其他电子设备当中，首先要考虑硬件电路的电源方案、功耗、尺寸、复杂程度等问题，其次利用Altuim designer 可以将电路板设计尽可能微型化。
2.软件实现
（1）主控芯片程序
单片机内部软件设计了一系列控制指令和算法，将测量的实际距离值与预设的标准值进行比较，若实际距离值小于标准值，则在一定时间内将相应的指令通过蓝牙串口上传到终端电子设备。低功耗是本次设计要考虑的范围之一，为了实现低功耗，需要设计相应的算法以提高软件的执行效率。
（2）Android终端控制软件
移动互联网时代下，电子产品、智能设备在我们日常生活中琳琅满目，人们使用的电子设备主要以手机、平板电脑、电视为主，在手机、平板电脑的操作系统中，又以Android操作系统最为普及，因此，考虑到用户群的数量，最终选择了Android平台，本系统开发了一种Android操作系统控制终端软件，软件通过安卓设备自带的蓝牙功能与防近视系统硬件的蓝牙模块相互通信，不断接收硬件上传的指令和数据，根据指令和数据做出相应的动作，震动、熄屏、闪屏以提醒用户，实现硬件系统与电子设备的有效结合。
四、总结与展望
本系统的设计从传感器材料出发，对压电超声传感器材料进行性能测试了分析，从材料分析理论中去了解压电超声传感器的结构，根据实际用途对传感器的频率和结构设计进行讨论，要求传感器即可以发射、又可以接收固有频率的超声波，而且必须要定向传播，接着讲设计可以使得测距传感器实现测距功能的硬件系统，以及将测距系统应用到Android智能手机防近视功能当中，使得材料结合多学科的应用的变得有实际意义。最后，经过实验设计分析得出，当前防近视系统的压电超声传感器尺寸还需要进一步缩小，Android客户端的界面和防近视提醒功能还需要进一步完善。在压电超声传感器微型化研究方面，目前已经有相关研究文献研究将微机电系统（MEMS）应用到压电超声传感器当中，一种新型的基于PZT厚膜的MEMS压电超声换能器尺寸约为2mm2mm，共振频率约为120KHz，机电耦合系数最高达到6.39%[4]，因此对MEMS压电超声换能器的研究对微型化测距系统具有广泛的应用前景，传感器的微型化将加速推动防近视系统的市场化应用。
参考文献：
[1]林书玉.超声技术的基石——超声换能器的原理及设计[J].物理，2009，38（03）：141-148.
[2]路宜明.基于PSoC的超声相控阵高精度测距系统的研究[D].山东师范大学，2014.
[3]莫石镁.超声波测距在汽车倒车防撞系统中的应用.电脑知识与技术，2007，l（4）：1083—108
[4]张晋弘，马剑强，李保庆，冯艳，褚家如.MEMS压电超声换能器的结构设计及性能表征[J].压电与声光，2010，32（04）：604-607.
作者简介：罗得寸（1994），男，广西壮族自治区来宾市，壮族，学历：在读硕士研究生，研究方向：区块链，物联网技术。
指导老师（杨华斌）
基金项目：本文系区级创业训练项目（项目编号：201710595268）研究成果
项目名称：一种基于超声测距的内嵌式智能防近视系统
关键词：压电陶瓷性能；压电超声换能器；超声测距；Android防近视系统
一、压电材料的研究进展
（一）压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应
（二）压电材料的发展历程
自上个世纪40年代中期以来，压电陶瓷材料在生产生活当中得到了相当广泛的应用，关于压电、铁电材料等方面的研究也因此得到了不断的发展。目前，压电陶瓷材料是目前国际竞争极其激烈的高新技术材料之一。该材料不仅具有性质稳定、机电耦合系数高等优点，而且成本低廉、适合进行大批量生产。尽管压电陶瓷材料上述不可比拟的优越性，但深入一些条件苛刻的领域内部的应用同时也不断地对压电陶瓷提出了更高的性能要求，目前，压电陶瓷材料性能的改良可以通过掺杂、取代、改变工艺等方法，从而不断地提高其各项性能，根据性能的不同可以将压电陶瓷片应用到不同的产品。
二、压电效应的原理
当电介质材料受到一定外力的作用时，电介质外表面发生微小的形变，同时，该电介质材料内部会产生电极化现象，在材料的两个外表面产生相反电荷形成电势差的现象，当外力去掉之后，电介质材料又能够还原到原来不带电、不变形的状态，这种现象称为正压电效应。反之，电介质材料因外电场作用而产生微小形变的现象称为逆压电效应[1]。
三、超声测距防近视系统的设计与实现
（一）超声测距原理
目前，利用超声波测距的原理主要有三种：相位比较法[2]、声波幅值检测法、渡越时间检测法。渡越时间法原理比较简单易懂，硬件电路也较容易实现，就是测量经超声波发射器出发的超声波反射后进入接收器的时间，这段时间就是称为渡越时间[3]，已知空气的声速利用公式（1.1）便可以得出测试点与障碍物之间的距离值。
d=c×t÷2 （1.1）
式子中：d为距离，单位m，c为声速，单位是m/s；t为超声波在空气中的传播的时间，以秒为单位；
（二）防近视系统
1.硬件设计
设计单片机驱动超声探头的驱动电路，使得收发一体式的超声传感器能够发射一定频率的超声波，以及能够接收固有频率的超声波反射回波，回波经过运算放大器的滤波、放大、整形后传入单片机中断接口，单片机通过定时器计算出超声波在发射后，经过障碍物的反射再传回超声探头的时间间隔，从而可以计算出发射点与障碍物之间的距离值，通过低功耗蓝牙4.0模块上传至电子终端设备。随着电子信息工业的快速发展，微型化的硬件设计越来越离不开计算机的辅助设计，Altuim designer在PCB（印刷电路板）板的设计方面越来越成熟，具有高效、准确、高可靠等特点，是目前国内最为广泛使用的PCB设计工具之一。实现硬件系统内嵌到其他电子设备当中，首先要考虑硬件电路的电源方案、功耗、尺寸、复杂程度等问题，其次利用Altuim designer 可以将电路板设计尽可能微型化。
2.软件实现
（1）主控芯片程序
单片机内部软件设计了一系列控制指令和算法，将测量的实际距离值与预设的标准值进行比较，若实际距离值小于标准值，则在一定时间内将相应的指令通过蓝牙串口上传到终端电子设备。低功耗是本次设计要考虑的范围之一，为了实现低功耗，需要设计相应的算法以提高软件的执行效率。
（2）Android终端控制软件
移动互联网时代下，电子产品、智能设备在我们日常生活中琳琅满目，人们使用的电子设备主要以手机、平板电脑、电视为主，在手机、平板电脑的操作系统中，又以Android操作系统最为普及，因此，考虑到用户群的数量，最终选择了Android平台，本系统开发了一种Android操作系统控制终端软件，软件通过安卓设备自带的蓝牙功能与防近视系统硬件的蓝牙模块相互通信，不断接收硬件上传的指令和数据，根据指令和数据做出相应的动作，震动、熄屏、闪屏以提醒用户，实现硬件系统与电子设备的有效结合。
四、总结与展望
本系统的设计从传感器材料出发，对压电超声传感器材料进行性能测试了分析，从材料分析理论中去了解压电超声传感器的结构，根据实际用途对传感器的频率和结构设计进行讨论，要求传感器即可以发射、又可以接收固有频率的超声波，而且必须要定向传播，接着讲设计可以使得测距传感器实现测距功能的硬件系统，以及将测距系统应用到Android智能手机防近视功能当中，使得材料结合多学科的应用的变得有实际意义。最后，经过实验设计分析得出，当前防近视系统的压电超声传感器尺寸还需要进一步缩小，Android客户端的界面和防近视提醒功能还需要进一步完善。在压电超声传感器微型化研究方面，目前已经有相关研究文献研究将微机电系统（MEMS）应用到压电超声传感器当中，一种新型的基于PZT厚膜的MEMS压电超声换能器尺寸约为2mm2mm，共振频率约为120KHz，机电耦合系数最高达到6.39%[4]，因此对MEMS压电超声换能器的研究对微型化测距系统具有广泛的应用前景，传感器的微型化将加速推动防近视系统的市场化应用。
参考文献：
[1]林书玉.超声技术的基石——超声换能器的原理及设计[J].物理，2009，38（03）：141-148.
[2]路宜明.基于PSoC的超声相控阵高精度测距系统的研究[D].山东师范大学，2014.
[3]莫石镁.超声波测距在汽车倒车防撞系统中的应用.电脑知识与技术，2007，l（4）：1083—108
[4]张晋弘，马剑强，李保庆，冯艳，褚家如.MEMS压电超声换能器的结构设计及性能表征[J].压电与声光，2010，32（04）：604-607.
作者简介：罗得寸（1994），男，广西壮族自治区来宾市，壮族，学历：在读硕士研究生，研究方向：区块链，物联网技术。
指导老师（杨华斌）
基金项目：本文系区级创业训练项目（项目编号：201710595268）研究成果
项目名称：一种基于超声测距的内嵌式智能防近视系统