超声波应用.优秀PPT.ppt

超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为放射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。基本介绍及组成部分以超声波作为检测手段，必需产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以放射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有很多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声波探头结构如图1所示，它主要由压电晶片、吸取块（阻尼块）、爱护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为。超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸取声能量。假如没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会接着振荡，加长超声波的脉冲宽度，使辨别率变差。图1 压电式超声波传感器结构性能指标超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压 超声波传感器电晶片。构成晶片的材料可以有很多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们运用前必需预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：1、工作频率：工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的沟通电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。2、工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，特殊是诊断用超声波探头运用 超声波传感器功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，须要单独的制冷设备。3、灵 敏 度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。主要应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其 超声波传感器最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不行缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无苦痛、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的精确率高等。因而推广简洁，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也确定了回声的振幅的凹凸在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，很多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现变更了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所须要的信号。在将来的 超声波传感器应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。超声波距离传感器技术应用超声波对液体、固体的穿透本事很大，尤其是在阳光不透亮的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波遇到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，遇到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作牢靠，安装便利，防水型，放射夹角较小，灵敏度高，便利与工业显示仪表连接,也供应放射夹角较大的探头。工作原理人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ超声波传感器范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要接受纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥 超声波传感器控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分别式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、限制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与运用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产朝气械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际运用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。限制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行限制。工作程式若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片(双晶振子 超声波传感器)施加40KHz高频电压，则压电陶瓷片就依据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40KHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由限制电路调制)，并传给波接收器。接收器是利用压力传感器所接受的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40KHz正弦电压。因该高频电压幅值较小，故必需进行放大。超声波传感器使得驾驶员可以平安地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或旁边存在的任何障碍物，并刚好发出警告。所设计的检测系统可以同时供应声光并茂的听觉和视觉警告，其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会削减，并可以游刃有余地实行必要的动作。系统构成由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、限制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与运用直径为 15mm 左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产朝气械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际运用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。限制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行限制。超声波传感器电源(或称信号源)可用 DC12V 10%或 24V 10%。工作模式超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透亮或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。检测模式超声波传感器主要接受干脆反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将放射的声波部分地放射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。还有部分超声波传感器接受对射式的检测模式。一套对射式超声波传感器包括一个放射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。位于接收器和放射器之间的被检测物将会阻断接收器接收放射的声波，从而传感器将产生开关信号。检测范围和声波放射角：超声波传感器的检测范围取决于其运用的波长和频率。波长越长,频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6º声波放射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波放射角在12º至15º的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。超声波物位传感器超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。假如从放射超声脉冲起先，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。依据放射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器放射和接收超声波运用同一个换能器，而双换能器的传感器放射和接收各由一个换能器担当。图2给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波放射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图2（a）所示。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使放射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波放射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图2（b）所示。这种方式便于安装和修理，但超声波在空气中的衰减比较厉害。图2几种超声物位传感器的结构原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播对于单换能器来说，超声波从放射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为：则式中：h换能器距液面的距离；c超声波在介质中传播的速度。