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采矿船位移超声波检测技术与模拟实验研究
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具有宽束超声波换能器的短距离超声波装置
来源：广搜网
公益为中国网民提供数字化信息
发布日期： 19:20:59
&&&&发明人：欧斯瓦尔多·布卡福斯卡史蒂文·马丁 布鲁斯·比奥德瑞（摘要：本发明涉及具有宽束超声波换能器的短距离超声波装置。一种设备包括第一换能器支撑件，用于在第一开口内接收第一换能器。换能器的第一面的表面位于第一平面内。该设备还包括第二换能器支撑件，用于在第二开口内接收第二换能器。第二换能器的表面位于与第一平面大体上平行的第二平面内。(30)优先权数据）
1. 一种设备，包括：第一换能器支撑件，用于在第一开口内接收第一换能器，其中，所述第一换能器的第一面的表面位于第一平面内；第二换能器支撑件，用于在第二开口内接收第二换能器，其中，所述第二换能器的表面位于与所述第一平面大体上平行的第二平面内。2. 如权利要求1 所述的设备，其中，所述第一开口相对于所述第二开口线性偏移。3. 如权利要求2 所述的设备，其中，所述第一换能器的所述表面与所述第一开口大体上共面，并且所述第二换能器的所述表面与所述第二开口大体上共面。4. 如权利要求2 所述的设备，其中，所述第一换能器用于发送超声波信号，所述第二换能器用于接收所述超声波信号的一部分。5. 如权利要求1 所述的设备，还包括位于所述第二换能器支撑件中的第三开口，所述第三开口用于接收第三超声波换能器。6. 如权利要求5 所述的设备，其中，所述第三换能器的表面与所述第三开口及所述第二开口大体上共面。7. 如权利要求6 所述的设备，其中，所述第一开口相对于所述第二开口线性偏移。8. 如权利要求5 所述的设备，其中，所述第一换能器用于发射超声波信号，所述第二换能器及所述第三换能器各自用于接收所述超声波信号的相应部分。9. 如权利要求1 所述的设备，其中，所述第一及第二换能器各自包括压电换能器。10. 如权利要求9 所述的设备，其中，所述超声波换能器包括压电微加工换能器(pMUT)。11. 如权利要求4 所述的设备，其中，所述第一换能器被构造成发射所述超声波束，所述超声波束具有处于约15°至约80°的范围内的束角度。12. 如权利要求4 所述的设备，其中，所述第二换能器被构造成接收处于接收角度内的所述超声波信号，所述接收角度处于约15°至约80°的范围内。13. 一种超声波装置，包括：第一换能器支撑件，包括第一开口；第一超声波换能器，其布置在所述第一开口内，所述第一超声波换能器具有第一宽度，所述第一宽度与所述第一超声波换能器发送或接收的第一波长在大小方面大体上相同，其中，所述第一换能器的第一面的表面位于第一平面内；第二换能器支撑件，包括第二开口；以及第二超声波换能器，其布置在所述第二开口内，所述第二超声波换能器具有第二宽度，所述第二宽度与所述第二超声波换能器发送或接收的第二波长在大小方面大体上相同，其中，所述第二换能器的表面位于第二平面内。14. 如权利要求13 所述的超声波装置，其中，所述第一换能器的所述表面与所述第一开口大体上共面，所述第二换能器的所述表面与所述第二开口大体上共面。15. 如权利要求13 所述的超声波装置，其中，所述第一开口相对于所述第二开口线性偏移。16. 如权利要求13 所述的超声波装置，还包括位于所述第二换能器支撑件中的第三开口，所述第三开口用于接收第三超声波换能器。17. 如权利要求16 所述的超声波装置，其中，所述第三换能器的表面与所述第三开口及所述第二开口大体上共面。18. 如权利要求16 所述的超声波装置，其中，所述第三超声波换能器具有第三宽度，所述第三宽度与所述第三超声波换能器发送或接收的第三波长在大小方面大体上相同，其中，所述第三换能器的表面位于第三平面内。19. 如权利要求13 所述的超声波装置，其中，所述第一波长以及所述第二波长大体上相同。20. 如权利要求18 所述的超声波装置，其中，所述第一波长、所述第二波长以及所述第三波长大体上相同。具有宽束超声波换能器的短距离超声波装置[0001] 相关申请的交叉引用[0002] 本申请涉及本申请人拥有的于2006 年11 月27 日递交、发明名称为“TRANSDUCERSWITH ANNULAR CONTACTS”并且发明人为R.Shane Fazzio 等人的美国专利申请11/604,478，以及于2007 年4 月19 日递交、发明名称为“MULTI-LAYER TRANSDUCERS WITHANNULARCONTACTS”并且发明人为R.Shane Fazzio 等人的美国专利申请11/737,725。这些相关申请的全部公开内容通过引用方式专门结合于此。技术领域[0003] 本发明涉及具有宽束超声波换能器的短距离超声波装置。背景技术[0004] 超声波换能器在被施加电信号时发射超声波，并/ 或在超声波信号入射在其上时产生电信号。[0005] 一种公知的超声波换能器是压电超声波换能器。压电超音速换能器具有位于电极之间的压电材料。施加时变电信号可使得换能器产生机械振动，由此发出声学信号。相反，向压电超声波换能器施加时变声学信号将使得换能器的压电材料产生时变电信号。很多公知的超声波换能器均具有较窄的传播束以及较窄的接收角度。[0006] 超声波换能器可用于各种应用领域。例如，超声波换能器可用于测量及误差检测应用领域。一种测量应用领域以超声波换能器与超声波接收器之间的超声波吸收程度作为依据。[0007] 如图1 所示，一种包括用于吸收测量的超声波换能器的公知的设置方式利用通用窄束换能器。超声波设备100 包括发射器支撑件101 及接收器支撑件102。发射器支撑件101 包括第一容器103，在第一容器103 中设置有超声波换能器104。接收器支撑件102 包括第二容器105，在第二容器105 中设置有接收换能器106。发射超声波换能器104 发出相对较窄超声波束107( 小于约10°)，该相对较窄超声波束107 由也具有相对较窄接收角度( 小于约10°) 的接收换能器106 接收。[0008] 如图1 所示，发射及接收换能器104，105 以角度偏移方式彼此相对布置。整体角度设置需要避免( 即，因相长干涉或破坏干涉) 在换能器104，105 之间产生驻波，并避免在换能器104，105 之间产生吸收媒介。此外，发射及接收换能器104，105 还倾斜设置以避免发射超声波换能器104 与接收超声波换能器106 之间的驻波。如本领域技术人员所知，该驻波会不利地影响接收换能器106 处检测到的声波的振幅。在依赖于相对精确的振幅测量及检测的应用领域( 例如吸收测量领域) 中，驻波会导致不可接受的测量不确定度。[0009] 虽然公知的超声波设备100 设置可用于减小发射及接收换能器104，106 之间驻波的产生，但超声波设备100 存在一些缺陷。例如，对第一及第二容器103，105 的精确定位增加了支撑件101，102 的制造复杂程度。此外，因为相对较窄的超声波束107，对准公差相对较严，由此增加了制造处理中的劳动强度。最后，最终产品的成本，或换能器104，106 的对准精确性，或两者均会受到不利影响。此外，换能器104，106 的角度偏差导致不能够有效地利用空间，由此对在特定应用领域中减小设备100 的整体尺寸构成限制。[0010] 因此，需要一种至少可克服公知换能器的上述缺陷的设备。发明内容[0011] 根据代表性实施例，一种设备包括：第一换能器支撑件，用于在第一开口内接收第一换能器，其中第一换能器的第一面的表面位于第一平面内；以及第二换能器支撑件，用于在第二开口内接收第二换能器。第二换能器的表面位于与第一平面大体上平行的第二平面内[0012] 根据另一代表性实施例，一种超声波装置包括：第一换能器支撑件，包括第一开口；第一超声波换能器，其布置在第一开口内，第一超声波换能器具有第一宽度，第一宽度与第一超声波换能器发送或接收的第一波长在大小方面大体上相同，其中，第一换能器的第一面的表面位于第一平面内；第二换能器支撑件，包括第二开口；以及第二超声波换能器，其布置在所述第二开口内，第二超声波换能器具有第二宽度，第二宽度与第二超声波换能器发送或接收的第二波长在大小方面大体上相同。第二换能器的表面位于第二平面内。附图说明[0013] 参考附图，根据以下具体描述可充分理解本发明。特征并非按比例绘制。在适当的情况下，使用类似的参考标号来表示类似的特征。[0014] 图1 示出了公知的超声波设备。[0015] 图2A 示出了根据代表性实施例的设备。[0016] 图2B 示出了根据代表性实施例的设备。[0017] 图3A 示出了根据代表性实施例的压电微加工超声波换能器(pMUT) 的剖视图。[0018] 图3B 示出了图3A 所示的pMUT 的俯视图。[0019] 图4A-4C 示出了根据代表性实施例的pMUT 的剖视图。具体实施方式[0020] 这里，未特定指明的要素的数目可以是单数或复数。[0021] 除了其常规意思之外，术语“大致”或“大体上”对本领域的普通技术人员而言意指具有可接受的限度或程度。例如，“大体上消除”意指本领域的技术人员认为消除是可接受的。[0022] 除了其常规意思之外，术语“约”对本领域的普通技术人员而言意指在可接受的限度或量内。例如，“约相同”意指本领域的技术人员将认为被比的项相同。[0023] 在以下详细描述中，为了说明而非限制目的，给出了揭示了具体细节的代表性实施例以助于对本申请的深入理解。可能会省略对公知装置、材料及制造方法的描述以避免模糊对代表性实施例的描述。但是，根据代表性实施例，可以使用对本领域的普通技术人员而言公知的那些装置、材料及方法。[0024] 图2A 示出了根据代表性实施例的设备200。设备200 包括第一换能器支撑件201及第二换能器支撑件202。第一换能器支撑件201 包括第一开口203，而第二换能器支撑件202 包括第二开口204。第一换能器205 布置在第二开口204 内，而第二换能器206 布置在第二开口204 内。如下所述，第一及第二换能器205，206 可以是各种相对较宽束( 或相对较广束) 超声波换能器中的一种，例如微加工超声波换能器MUT。[0025] 第一换能器205 包括第一面207，而第二换能器206 包括第二面208。在本实施例中，第一及第二面207，208 具有可与换能器205，206 的发射射线的波长相比较的线性尺寸“w”( 即，在换能器的面大致呈圆形的情况下为直径)。如根据诸如活塞的单一声学模型而言，该相对尺寸确保了换能器205，206 的较宽束发射以及较大接收角度。第一换能器205位于开口203 内，由此第一面207 与第二内表面210 大致平齐。第二换能器206 位于第二开口204 内，由此第二面208 与第二内表面210 大致齐平。[0026] 如图2A 所示，第一内表面209 与第二内表面210 相对，并且通过缝隙211 而与第二内表面210 相分离。因此，将第一换能器205 布置在第一开口203 中以及将第二换能器布置在第二开口204 中使得将第一面207( 沿x-z 平面) 以及第二面208( 沿x-z 平面) 布置为相对关系，并且被缝隙211 分离( 图2A 中尺寸“g”所示)。第一换能器205 的第一面207 与第二换能器206 的第二面208 可以彼此平行( 即，位于平行平面内)。此外，开口203及204 被布置使得第一及第二换能器205、，206 彼此横向偏移了一个偏移距离“d”( 图2A所示)，其中“d”是从第二换能器206 的中心至第一换能器205 的中心的距离。注意，第一及第二换能器205、206( 以及第一及第二面207、208) 的横向偏移仅是示意性质。可以想到小于图示及大于图示的横向偏移。但是，为了使第一及第二换能器205，206 之间的驻波的形成最小化，偏移“d”不应小于“w”。此外，为了确保从发射换能器( 例如，205) 到接收换能器( 例如，206) 接收到足够的能量，横向偏移应当不大于束角“A”的正切与分离距离g 的乘积：d ≤ tan(A)*g。[0027] 在代表性实施例中，第一换能器205 起发射器的作用，并提供相对较宽束超声波信号213，其在入射平面具有宽度214( 宽度214 等于2*tan(A)*g)，该入射平面是第二换能器206 的第二面208 的平面。说明性地，第一换能器205 的束角“A”处于约15°至约80°的范围内。第二换能器206 起具有相对较宽接收角的接收器的作用。说明性地，第二换能器206 的接收角处于约15°至约80°的范围内。设备200 中换能器205，206 的相对位置、超声波信号213 的相对较宽宽度214 以及接收器206 的相对较大接收角使得允许从入射在第二换能器206 的第二面208 上的一部分束接收足够的能量，由此允许精确测量，例如位于缝隙211 内或横越缝隙211 的物体( 例如，固体、液体或气体) 的吸收程度。此外，因为换能器205，206 的横向偏移，大体上避免了形成驻波。例如，因为超声波的入射角等于超声波的反射角，故从第二换能器206 及第二内表面210 反射的信号213 的绝大部分能量并未被反射返回至第一换能器205。优选地，通过以上述代表性实施例的方式来使换能器横向偏移，大体上避免了有害的驻波的产生，此外超声波信号213 的足够一部分入射在第二换能器206 的第二面208 上，由此足够的超声波能量跨过缝隙211 被传递至第二换能器206。[0028] 示出第一及第二开口203，204 延伸通过其各自的换能器支撑件201，202 的厚度，以便于放置、安装并替换换能器205，206。这仅是说明性质，希望将开口203，204 安装在腔( 未示出) 内。可利用公知的机械加工方法来制造换能器支撑件201，202 的满足要求公差的各种特征。此外，可由塑料材料、金属、金属合金或陶瓷材料或其组合来制造换能器支撑件201，202。[0029] 图2B 示出了根据各个实施例的设备217。上述设备200 的很多细节在设备217 的描述中同样适用，因此为了避免造成对代表性实施例的描述模糊而不再重复描述。设备217包括布置在第二换能器支撑件202 中的第三开口219 内的第三换能器218。第三换能器218包括第三面220，其说明性地大体上与第二内表面210 的平面齐平。如图所示，超声波信号213 的一部分入射在第三换能器218 的第三面220 上。第三换能器218 被布置使得第三面220 有利地与第一面207 平行。此外，换能器218 相对于换能器205 具有偏移d2，其不一定要与d1 相同。[0030] 在代表性实施例中，第一换能器205 起发射换能器的作用，而第二及第三换能器206，218 起接收换能器的作用。第一换能器205 提供相对较宽束超声波信号213，其中发射角处于约15°至约80°的范围内。束在入射平面(x-z 平面) 处具有宽度214，该入射平面是第二换能器206 的第二面208 以及第三换能器218 的第三面220 的平面。接收换能器205，218 具有相对较宽接收角，其也处于约15°至约80°的范围内。在设备217 中换能器205，206 及218 的相对位置、超声波信号的相对较大宽度214 以及接收换能器的较大接收角使得允许从入射在第三换能器218 的第三面220 上的信号信号213 的一部分束接收到额外的声学能量。因此，可以实现额外的信号接收由此提高测量精度，例如位于缝隙211 内或横越缝隙211 的物体( 例如，固体、液体或气体) 的吸收程度。[0031] 此外，与设备200 类似，因为换能器205，218 的横向偏移，故大体上避免了驻波的形成。例如，因为超声波的入射角与超声波的反射角相同，故从第三换能器218 以及第二内表面210 反射的信号213 的绝大部分能量均未被反射返回至第一换能器205。优选地，通过以代表性实施例的方式使换能器205，218 横向偏移，大体上避免了在第一换能205 与第三换能器218 之间有害的驻波的产生，此外超声波信号213 的足够一部分入射在第二换能器206 的第二面208 以及第三换能器218 的第三面220 上，由此足够的超声波能量跨过缝隙211 被传递至第二换能器206 及第三换能器218。[0032] 参考图3A-4C，以下描述在设备200 中使用的换能器的实施例。说明性地，换能器包括根据本发明描述的压电微加工超声波换能器(pMUT)。说明性地，PMUT 基于膜体声学(FBA) 换能器技术或体声学(BAW) 技术。这里强调pMUT 仅是说明性质，还想到其他类型的换能器，例如电容微加工超声波换能器(cMUT)。以下描述的换能器可用于发送相对较宽束超声波信号并接收超声波信号，并连接至合适的发射( 驱动) 电路及合适的接收( 检测)电路( 未示出)。因此，取决于其构造，换能器可被应用为上述结合图2A-2B 描述的代表性实施例的换能器205，206，218。这里强调，下述换能器仅是说明性质，并且想到将其他用于提供相对较宽束超声波信号的换能器与图2A-2B 的实施例结合使用。[0033] 图3A 示出了根据代表性实施例的换能器300 的剖视图。图3B 示出了换能器300的俯视图。沿线3A-3A 取剖面。换能器包括衬底301，其说明性地是与公知半导体加工方法兼容的硅(Si) 或其他合适的材料。腔302 设置在衬底301 内。换能器300 还包括膜303，其形成在衬底301 上并横越衬底内的腔302。在代表性实施例中，膜可以是聚硅、氮化硅、碳化硅、硼硅玻璃或磷硅玻璃。这些材料仅是说明性质，还可想到适用于膜303 并且与选择用于制造换能器300 的半导体加工方法兼容的其他材料。[0034] 因为在这里描述的实施例中腔并未延伸通过厚度，膜303 被大体上密封。需要使膜303 两侧之间的压力相同。说明性地，通过在膜303 中或衬底301 中设置孔( 未示出)，或者使装置上的膜303 一侧与膜303 相对一侧的腔之间的压力相等来实现上述目的。替代地，腔302 可延伸通过衬底的厚度。[0035] 可通过公知蚀刻方法( 包括本领域普通技术人员公知的湿法蚀刻及干法蚀刻技术) 来形成腔302。例如，可通过诸如所谓“Bosch 法”的公知的深反应离子蚀刻(DRIE) 法来设置腔302，由此设置具有希望高宽比的开口。注意，可在下述形成换能器的其他部件之前或之后来设置开口。[0036] 下电极304 被设置在膜303 上。在各个实施例中，下电极304 大体上为圆形。根据各个实施例，下电极304 可包括与半导体加工兼容的诸如钼、钨或铝的金属或其合适的合金。[0037] 利用公知方法将压电层305 设置在下电极304 上。在本实施例中，压电层305 也大体上为圆形，并具有与下电极304 大约相同的尺寸及形状。压电层305 可以是与用于制造换能器300 的半导体加工兼容的诸如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO) 的压电膜或其他膜。[0038] 上电极306 设置在膜303 上。在本实施例中，上电极306 大体上为圆形，并具有与下电极304 及压电层305 大约相同的尺寸及形状。上电极306 可以由与下电极304 的相同材料制成。[0039] 换能器300 可选地包括钝化层307 以保护下电极304、压电层305 及上电极306 以防止诸如湿度的环境因素的影响。最终，设置接触垫308 以将换能器300 连接至发射器电路( 未示出) 或接收器电路( 未示出) 或两者。接触垫308 连接至顶及底电极，并根据标准半导体制造工艺来制成。[0040] 换能器300 具有有源区域直径309。根据代表性实施例，直径309 被选择为由换能器发送或接收的超声波信号的波长的数量级。例如，选择直径309 具有超声波信号213 的数量级。通过选择直径309 具有超声波信号的波长的大小，可实现相对较广或较宽束宽度。因此，利用相对较宽束超声波信号213，可实现以上结合图2A-2B 描述的代表性实施例中的换能器205，206，218 的设置，其中仅一部分来自换能器205 的信号被入射在换能器206，218上。[0041] 图4A-4C 分别示出了pMUT 401、402 及403 的剖视图。pMUT 401-403 包括很多与上述换能器300 相同的特征。为了避免模糊对本实施例的描述，pMUT 的很多相同细节将不再重复描述。[0042] pMUT 401 包括具有腔302 的衬底301。下电极404 设置在腔302 并横越腔302。在代表性实施例中，下电极404 大体上呈圆形并具有直径408。根据代表性实施例，下电极404 可包括与半导体加工兼容的诸如钼、钨或铝的金属或其合适的合金。利用公知方法将压电层405 设置在下电极404 上。在本实施例中，压电层405 也大体上为圆形，并具有与下电极404 大约相同的直径。压电层405 可以是与用于制造pMUT 401 的半导体加工兼容的诸如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO) 的压电膜或其他膜。上电极406 设置在压电层405 上。在本实施例中，上电极406 大体上为圆形，并具有与下电极404 大约相同的尺寸及形状。上电极406 可由与下电极404 的相同材料制成。[0043] pMUT 402 包括具有腔302 的衬底301。在代表性实施例中，下电极404 大体上呈圆形并具有直径408。根据代表性实施例，下电极404 可包括与半导体加工兼容的诸如钼、钨或铝的金属或其合适的合金。利用公知方法将压电层405 设置在下电极404 上。在本实施例中，压电层405 也大体上为圆形，并具有与下电极404 大约相同的直径。如图所示，压电层405 横越腔302。压电层405 可以是与用于制造pMUT 401 的半导体加工兼容的诸如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO) 的压电膜或其他膜。上电极406 设置在压电层405 上。在本实施例中，上电极406 大体上为圆形，并具有与下电极404 大约相同的尺寸及形状。上电极406 可由与下电极404 的相同材料制成。[0044] pMUT 403 包括具有腔302 的衬底301。下电极404 设置在腔302 上并横越腔302。在代表性实施例中，下电极404 大体上呈圆形并具有直径408。根据代表性实施例，下电极404 可包括与半导体加工兼容的诸如钼、钨或铝的金属或其合适的合金。利用公知方法将压电层405 设置在下电极404 上。在本实施例中，压电层405 也大体上为圆形，并具有与下电极404 大约相同的直径。压电层405 可以是与用于制造pMUT 401 的半导体加工兼容的诸如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO) 的压电膜或其他膜。上电极406 设置在压电层405 上。在本实施例中，上电极406 大体上为圆形，并具有与下电极404 大约相同的尺寸及形状。上电极406 可由与下电极404 的相同材料制成。[0045] 请注意，可通过各种不同材料、不同结构、构造及布局来设置根据本发明的MEMS装置、换能器及设备。此外，本发明可有利于小特征尺寸换能器之外的其他应用领域。此外，仅仅示例性而非限制性地给出了各种不同材料、结构及参数。根据本发明，在所附权利要求的范围之内，本领域的技术人员可实施本发明以决定其自身应用领域及在这些应用领域中所需的材料及设备。
发明人：欧斯瓦尔多·布卡福斯卡史蒂文·马丁 布鲁斯·比奥德瑞
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基于超声波测距倒车雷达系统的设计.doc26页
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基于超声波测距倒车雷达系统设计
　　近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15％的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。
　　2 整体设计及原理
　　超声波一般指频率在20 kHz以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为4～5 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。
　　该倒车雷达系统采用单片机控制，如图1所示。利用超声波实现无接触测距，并考虑测量环境温度对超声波波速的影响，而且通过温度补偿法对速度进行校正。使用由集成数字传感器DS18B20构成的温度测量电路，可直接读取温度值，再根据温度补偿得
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