HB-01

测量数据记录

实验一

实验二

实验三

论文1 基于HC-SR04超声波传感器的

水深测量系统设计与地方应用研究

张慎桐 籍浩然 杨译博 马煦然 成政儒

指导教师：邵馨阅

【摘要】本研究基于HC-SR04超声波传感器与Arduino平台，设计并搭建了一套可用于水深测量的超声波探测系统。在前期完成的雷达系统构建与性能测试基础上，将超声波技术拓展至液体深度测量领域。通过水位模拟实验验证了系统在不同水深条件下的检测能力与精度，结合成本效益分析和政策支持背景，深入探讨了其在城市内涝监测、等地方场景中的应用潜力。

【关键词】超声波传感器；雷达系统；液体深度测量；城市内涝监测。

一、研究背景

超声波传感器因其非接触、成本低、易于集成等特点，被广泛应用于距离测量、障碍物识别与液位检测等领域。在前期研究中，我们已成功构建超声波雷达系统，并系统分析了材质、角度、宽度等因素对探测性能的影响。

徐州作为国家可持续发展议程创新示范区，正在积极探索科技解决城市管理问题的创新路径。本市雨季集中，部分低洼地段在强降雨时易发生积水，对市民出行与交通安全构成威胁。在此背景下，我们以"超声波雷达测量水深"为主题，开展系统设计与实验验证，探索其在地方实际中的适用性与价值，为智慧徐州建设提供低成本技术解决方案。

二、实验系统设计与搭建

2.1 硬件组成

系统延续前期构建的Arduino Uno主控平台与HC-SR04超声波传感器模块，将其垂直固定于容器正上方，传感器发射面向下对准液面。为适应水位测量场景，我们设计了可调节高度的支架结构，确保传感器与液面保持平行，提高测量准确性。

2.2 软件逻辑

在Arduino IDE中编写程序，核心逻辑包括：

（1）循环触发传感器发射超声波；

（2）接收回波并计算时间差；

（3）根据声速公式计算传感器至液面的距离；

（4）结合容器高度换算为实际水深。

为提升测量稳定性，程序中引入取中间值算法，对连续多次采样结果进行排序并取中值，以抑制偶然误差。

三、研究过程

选用一个透明圆柱形容器，高度为30cm。将传感器固定于容器口正上方，从空杯状态开始，每次注入一定量清水，逐步提高水位，记录传感器输出的距离数据，并换算为水深值。

四、结果与分析

表一：液体水位高低与雷达距离、估算水面高度记录表

4.3 误差分析与改进

测量结果整体与实际水深高度一致，但随着水深增加，误差略有上升。分析其原因主要包括：（1）水面波动导致回波时间微小变化；（2）声速受温度影响，程序中采用固定声速值(340m/s)，未进行温度补偿；（3）容器边缘可能引起多次反射干扰。

从他人的研究中可以发现，环境因素对超声波测距精度有显著影响。为提高系统在真实环境中的可靠性，我们提出以下改进方向：（1）增加DS18B20温度传感器，实现声速动态校准；（2）在液面添加浮标或使用消波材料，减少水面波动影响；（3）采用新型超声波传感器，降低边缘干扰。

五、地方应用场景展望

5.1 城市内涝监测系统

系统设计思路：在易涝点布设本系统，将超声波传感器垂直固定于桥洞侧壁或路杆上，探头朝向路面，将水位数据实时上传至云平台。平台实时显示各监测点水位，并设定黄、橙、红三级预警机制。通过配套的微信小程序、交通广播及路侧LED屏，向市民发布实时积水信息与绕行建议。

成本效益分析：单个监测点总成本价格远低于传统水位监测站(通常万元以上)，全市布设成本可控制在2万元左右，远低于因内涝造成的交通拥堵与财产损失。

六、结论与展望

本研究成功将前期构建的超声波雷达系统拓展至水深测量领域，通过实验验证了HC-SR04传感器在液体深度检测中的可行性与精度。项目不仅巩固了我们对超声波物理特性与传感技术的理解，也体现了科技创新与地方需求相结合的实践价值。

未来，我们将进一步优化系统精度，集成“云数据”平台，推动该系统在"智慧徐州"建设中的实际应用。凭借其低成本和高可靠性的优势，以及政策支持的有利背景，该系统有望在徐州城市管理中发挥重要作用，真正实现"科技服务生活"的探究目标。

七、参考文献

[1]胡林慧，惠坤龙，杨博等. 超声波雷达测障装置的研究与设计[J]. 数码世界, 2018(7): 144-145.

[2]邢东洋. 超声波雷达预警系统的设计和实现[J]. 科学技术创新, 2022(10): 185-188.

论文2 基于相控阵雷达系统的创新研究

张慎桐 籍浩然 杨译博 马煦然 成政儒

指导教师：邵馨阅

【摘要】本研究在HC-SR04超声波传感器与Arduino平台构建的基础雷达系统上，开展了理论探究的跨层次探索。首先设计并实现了一种基于三角测距原理的双传感器方位指示系统，通过自主编译程序，实现了障碍物方位的实时较高精度识别与指向。进一步，利用Matlab仿真分析了相控阵雷达天线单元数量对主瓣波束宽度的影响，明确了二者之间的反比关系，即单元数量越多，波束越窄，即波束指向性越优。项目融合了传感器应用、算法实现与电磁波仿真，体现了从实践构建到理论验证的完整科研路径。

【关键词】超声波雷达；三角测距；方位识别；相控阵仿真；波束宽度

一、引言

超声波雷达以其成本低、原理直观的特点，成为中学生接触传感技术与智能系统的理想载体。当前教学实践多集中于基础功能实现，对探测性能的深入分析与创新应用尚有不足。为此，本研究在完成HC-SR04基础雷达系统搭建后，展开了系统性、递进式的探究：基于发现的问题与规律，我们进行系统升级，设计开发了具备方位指示功能的双传感器雷达系统；最后，将探究方向从超声波拓展至电磁波，利用Matlab仿真研究相控阵雷达的核心参数，实现了从实践到理论、从单一技术到跨领域理解的升华。

超声波雷达作为常见的非接触式探测系统，在教学与科 创中得到广泛应用，但多数项目止步于基础测距与成像，缺乏在方位识别与状态仿真方面的深入拓展。项目旨在通过“硬件+算法+仿真”的综合实践，构建一个从实际问题解决到理论认知提升的完整研究闭环，实现了从实践到理论的升华。

二、原理与仿真方法

为探究更先进的雷达技术，我们使用Matlab的Sensor Array Analyzer工具，仿真分析了二维相控阵雷达。相控阵雷达通过控制多个天线单元的相位，实现波束的电子扫描。其核心性能指标之一--主瓣波束宽度（HPBW），决定了雷达的方向分辨能力和抗干扰能力。而雷达的主瓣波束宽度指的是：在雷达的主瓣范围内，相对最大辐射方向功率密度下降至一半时的角域宽度，也叫3dB波束宽度（因为雷达功率单位中dB值减3代表功率密度下降一半）。所以在图4-1中标注的HPBW就是主瓣波束宽度了。

图4-1主瓣波束宽度示意图

三、仿真结果与分析

仿真设定天线元素数量N从2逐步增加至64，结果如下图所示。

数据明确显示：随着天线单元数量的增加，主瓣波束宽度不断变窄。

数据明确显示：随着天线单元数量的增加，主瓣波束宽度显著变窄，表明雷达指向性与角分辨率提升，该结论与相关理论研究一致。

四、综合讨论与结论

本研究实现了通过Matlab仿真揭示了天线规模对波束性能的影响规律，建立起从实践到理论的认知桥梁。

综上所述，项目充分体现了“传感+控制+仿真”的综合性科技教育理念，不仅深化了高中生对传感技术的理解，更展示了高中生在跨学科技能融合与系统创新方面的潜力。整个项目是一次完整的提升中学生思维深度和宽度的科研性训练，为未来更复杂的研究奠定了基础。

五、参考文献

[1]胡林慧，惠坤龙，杨博等. 超声波雷达测障装置的研究与设计[J]. 数码世界, 2018(7): 144-145.

[2]邢东洋. 超声波雷达预警系统的设计和实现[J]. 科学技术创新, 2022(10): 185-188.

[3]闫力博，陈彩霞，韩晓惠. 基于超声波和毫米波雷达的泊车感知系统研究[J]. 汽车实用技术, 2023, 48(9): 40-44.

[4]陈明海. 超声波雷达在智能网联汽车中的应用分析[J]. 时代汽车, 2024(17): 181-183.

[5]崔晓川，邹博维，孙明. 倒车雷达探测范围测量方法及准确度分析[J]. 中国测试, 2016, 42(5): 42-45.

[6]仇旭，朱浩，邓元望. 基于超声波雷达的改进车位检测算法研究[J]. 中国机械工程, 2020, 31(14): 1747-1753.

[7]吴红涛，李明，高见举. 汽车超声波雷达近距离障碍物探测报警降级问题的研究[J]. 自动化应用, 2024, 65(15): 222-224.