超声波传感器ppt课件.ppt

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1、第第9 9章章 超声波传感器超声波传感器9.1 9.1 超声波及其性质超声波及其性质19.2 9.2 超声波发生法与振动因子的设计超声波发生法与振动因子的设计9.3 9.3 超声波传感器的结构超声波传感器的结构39.4 9.4 超声波传感器的基本电路超声波传感器的基本电路4259.5 9.5 超声波传感器的应用超声波传感器的应用有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。概述概述 超声技术是一门以物理、电子、机械及材超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要使用的通用技术料学为

2、基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。之一。我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃，我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃，目前超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机目前超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质9.1.1 9.1.1 超声波的频率范围超声波的频率范围 人

3、听到响声是由于乐器的振动，经过周围人听到响声是由于乐器的振动，经过周围的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经感受到响声。感受到响声。音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围为为16Hz20KHz16Hz20KHz，但此频率范围的界限与音的，但此频率范围的界限与音的强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音范围大致可绘成如果范围大致可绘成如果9-19-1所示的关系图。所示的关系图。有利于学习和创新的

4、组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将20K20KHzHz以上的音波称为超声波（以上的音波称为超声波（Ultrasonic waveUltrasonic wave）。但）。但是听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配是听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合使用，也将频合使用，也将频 率降至率降至10KHz10KHz， 但有时也可能但有时也可能 将频率升到将频率升到 1000MHz1000MHz。图

5、图9-1 9-1 人耳感音频率范围人耳感音频率范围有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质9.1.29.1.2超声波的种类超声波的种类超声波的发射方式不同，造成了超声波种类的不同，大致上可超声波的发射方式不同，造成了超声波种类的不同，大致上可 分分 为五类，如图所示，图（为五类，如图所示，图（a a）的纵波）的纵波 （Longitudinal WaveLongitudinal Wave）又称压缩波）又称压缩波 （Compression WaveCompression

6、Wave），介质粒子的振），介质粒子的振 动与波的进行方向一致，专供强力超动与波的进行方向一致，专供强力超 声波的运用。声波的运用。 图图(b)(b)为纵波，比起图为纵波，比起图(a)(a)的纵波，波速的纵波，波速 慢了许多，主要是因为此类纵波是在慢了许多，主要是因为此类纵波是在 直径较小的棒中传输。直径较小的棒中传输。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质 图图(c)(c)为横波（为横波（Transverse WaveTransverse Wave）又称剪）又称剪

7、 断波（断波（Shear WaveShear Wave，S S波）介质粒子的波）介质粒子的 振动与垂直波的进行方向一致，常用振动与垂直波的进行方向一致，常用于于 超声波探勘计等的计测。超声波探勘计等的计测。 图图(d)(d)为表面波（为表面波（Surface WaveSurface Wave）又称）又称 Rayleigh Rayleigh 。 图（图（e e）为弯曲波（）为弯曲波（Flexural WaveFlexural Wave， Bending WaveBending Wave），在沿波进行方向的），在沿波进行方向的中心线上介质粒子进行横振动，接近介质表面的中心线上介质粒子进行横振动，接

8、近介质表面的粒子进行压缩、伸张运动。粒子进行压缩、伸张运动。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质9.1.39.1.3超声波的波速与波长超声波的波速与波长超声波的波速超声波的波速C、波长、波长、频率、频率f之间有下列关系之间有下列关系： C = f表表9-19-1为超声波在各种介质中的波速，图为超声波在各种介质中的波速，图9-3所示为所示为超声波在空气、水、金属中的波长与周期波数的关超声波在空气、水、金属中的波长与周期波数的关系，图中以实线和虚线区分超声波的使用范围

9、。系，图中以实线和虚线区分超声波的使用范围。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质介质纵波速度105cm/sec密度g/cm3声音阻抗c105铝6.222.651.70钢5.817.84.76镍5.68.94.98镁4.331.740.926铜4.628.934.11黄铜4.438.53.61铅2.1311.42.73水银1.4613.61.93玻璃4.95.92.55.91.81聚乙烯2.671.10.924电木2.591.40.363水1.431.000.143

10、变压器油1.390.920.128空气0.3310.00120.000042表表9-1 9-1 超声波在各种介质中的速度超声波在各种介质中的速度有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质图图9-3 9-3 空气、水、金属中的波长及频率空气、水、金属中的波长及频率有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质由上所述可知，纵波的音速在常温空气中约由上所

11、述可知，纵波的音速在常温空气中约3.43.410 cm/s10 cm/s，在水中为，在水中为1.41.410 cm/s10 cm/s，铝中为，铝中为 6.226.2210 cm/sec10 cm/sec，如果发射一个超声波的频率，如果发射一个超声波的频率为为40KHz40KHz，则可利用，则可利用C = fC = f 求出，超声波在求出，超声波在空气中，水中及铝中的波长空气中，水中及铝中的波长 为：为：空气中：空气中：水中：水中：铝中：铝中：443.4 100.86cm4 10541.4 103.5cm4 10546.22 1015.55cm4 10455有利于学习和创新的组织管理机制，创造充

12、满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质9.1.49.1.4超声波的损失超声波的损失理想情况下，超声波发射出去后，会一边扩大，一理想情况下，超声波发射出去后，会一边扩大，一边直线前进，只要介质没有吸收超声波的性质，超边直线前进，只要介质没有吸收超声波的性质，超声波的强度不论传到任何地方都不会减弱。声波的强度不论传到任何地方都不会减弱。不过实际上超声波的强度随着距离的增加而逐渐减不过实际上超声波的强度随着距离的增加而逐渐减弱，其原因有二：一是随着距离的增加波面会扩大，弱，其原因有二：一是随着距离的增加波面会

13、扩大，从而造成扩散损失，另外一方面，超声波会被传播从而造成扩散损失，另外一方面，超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般称为吸收损失，也称衰减。称为吸收损失，也称衰减。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质图图9-49-4所示即为超声波在各类介质中的衰减情形，所示即为超声波在各类介质中的衰减情形，读者在图中将会发现频率愈低的超声波衰减愈读者在图中将会发现频率愈低的超声波衰减愈小。小。图图9-4 9-4 超

14、声波的衰减超声波的衰减有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1.5 超声声波的指向性9.1.5 9.1.5 超声波的指向性超声波的指向性 如图如图9-59-5所示，使一个半径为所示，使一个半径为R R的圆的圆 板波源呈活塞状振动，发射出具有板波源呈活塞状振动，发射出具有 波长的超声波，则其指向角波长的超声波，则其指向角 可以可以 表示为表示为sinsin = = R R。 例如从直径例如从直径30mm30mm的振动因子，的振动因子， 对油中发射出对油中发射出1MHz 1MHz 的超声波，

15、使的超声波，使 得得 R =10R =10，于是其指向角，于是其指向角 =4=4。可见，欲使超声波角度集中，可减小可见，欲使超声波角度集中，可减小 或增大或增大R R，但，但一般以减小一般以减小 居多。居多。 图图9-5 9-5 超声波的指向性超声波的指向性有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质9.1.6 9.1.6 超声波的反射、透射与折射超声波的反射、透射与折射当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分会反射，其余的会穿

16、透过去。这种反射或穿透的会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z Z 决定。决定。所谓特性阻抗即为介质的密度（所谓特性阻抗即为介质的密度（）与音速（）与音速（C C）的乘积。假设现在将超声波垂直地射入固有特性的乘积。假设现在将超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时，如图阻抗不同的交界面时，如图9-69-6，则音波的反射率，则音波的反射率 可用下式表示：可用下式表示： 2121ZZZZ有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。

17、9.1 超声声波及其性质质由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率T T可以用下式表示：可以用下式表示： 22211222121411ZZZ ZTZZZZ 图图9-6 9-6 超声波的反射与透射超声波的反射与透射有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质书中表书中表9-29

18、-2所示为各种介质的反射率。图所示为各种介质的反射率。图9-7 9-7 所示为在不同所示为在不同介质间设厚度为介质间设厚度为L L的其它介质，传播超声波时，若将遮断的其它介质，传播超声波时，若将遮断超声波，此时的透射率超声波，此时的透射率T T1 1 为：为： 13122221313224cossinZ ZTZ ZZZKLZKLZ图图9-7 9-7 不同媒质间的反射与透射不同媒质间的反射与透射有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质 若邻接中间介质的左右介质相同，即若

19、邻接中间介质的左右介质相同，即Z1Z1Z2 Z2 时，时，则则T1 T1 可简化为：可简化为： 式中式中K=2f/CK=2f/C2 2，Z Z1 1=1 1C C1 1，Z Z2 2=2 2C C2 2，Z Z3 3=3 3C C3 3，f f为超声波的频率。为超声波的频率。1222211244 cossinTZZKLKLZZ有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质由上式可推论得知，越增大穿透率由上式可推论得知，越增大穿透率T1T1，可以使，可以使中间层中间层Z2Z2

20、尽量接近尽量接近Z1Z1，而且用薄板（使，而且用薄板（使L L愈小愈小愈好），或厚度为超声波半波长的整数倍的板。愈好），或厚度为超声波半波长的整数倍的板。若按此要领设计则穿透率若按此要领设计则穿透率T1T1变成：变成：12211241TZZZZ有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质如图如图9-89-8，如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同，如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同的交界面时，超声波会发生折射，令入射角为的交界面时，超声波会发生折射，令入射角为 i i，折射角

21、为折射角为 t t，C C1 1为入射前的波速，为入射前的波速，C C2 2为折射后的波为折射后的波速，其关系可以下式表示：速，其关系可以下式表示： 21sinsinitCC图图9-8 9-8 超声波的折射超声波的折射有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质9.1.79.1.7超声波的空洞现象超声波的空洞现象 在液体中发射强力超声波时，若发射的超声波为纵波，在液体在液体中发射强力超声波时，若发射的超声波为纵波，在液体中又发生负压过大现象时，负压会将液体拉裂，发生空孔，

22、即中又发生负压过大现象时，负压会将液体拉裂，发生空孔，即空洞现象。图空洞现象。图9-99-9所示为空洞的发生示意图。此类现象所示为空洞的发生示意图。此类现象 具有氧化、搅拌、具有氧化、搅拌、破坏等各种作破坏等各种作用，所以有时用，所以有时超声波也常常超声波也常常用来做氧化、用来做氧化、还原反应及洗净等工作。还原反应及洗净等工作。 图图9-9 9-9 空洞的发生空洞的发生有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质9.1.8 9.1.8 超声波的衰减超声波的衰减声波在介质中

23、传播时声波在介质中传播时, , 随着传播距离的增加随着传播距离的增加, , 能能量逐渐衰减。量逐渐衰减。 其声压和声强的衰减规律为：其声压和声强的衰减规律为： 、 距声源距声源x x处的声压和声强处的声压和声强; ; x x 声波与声源间的距离声波与声源间的距离; ; 衰减系数衰减系数, , 单位为单位为Np/mNp/m（奈培（奈培/ /米）。米）。 0 xxPPe20 xxII exPxI有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质声波在介质中传播时声波在介质中传播时,

24、 , 能量的衰减决定于声波能量的衰减决定于声波的扩散、的扩散、 散射和吸收。散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散散, , 即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的, , 介质吸介质吸收声能并转换为热能。收声能并转换为热能。 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制

25、，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.1 超声声波及其性质质9.1.99.1.9超声波的干涉超声波的干涉如果在一种介质中传播几个声波，于是会产生波的干如果在一种介质中传播几个声波，于是会产生波的干涉现象。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、涉现象。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种现象称为干涉现象。现象称为干涉现象。两个振幅相同的相干波在同一直线上彼此相

26、向传播时两个振幅相同的相干波在同一直线上彼此相向传播时叠加而成的波称为驻波。每相距叠加而成的波称为驻波。每相距/2/2的这些点上，介质的这些点上，介质保持静止状态，这些点称为节点，节点之间对应介质保持静止状态，这些点称为节点，节点之间对应介质位移最大的点称为波腹。位移最大的点称为波腹。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.2 超声声波发发生法与与振动动因子的设计设计 目前较常用的超声波发生法大致如下表所示，目前较常用的超声波发生法大致如下表所示，表中分机械性振动与电气驱动两种，在本节将对

27、表中分机械性振动与电气驱动两种，在本节将对电气驱动式超声波做详细介绍。电气驱动式超声电气驱动式超声波做详细介绍。电气驱动式超声波依驱动原理波依驱动原理可分为压电式、可分为压电式、电伸缩式、磁伸电伸缩式、磁伸 缩式等三种。缩式等三种。驱动方法驱动原理振动子发生周期数KHz介质电气式压电式水晶Rochelle盐ADP20300000.210000.21000气体，液体，固体液体，固体液体，固体电伸缩式钛酸钡锆酸钛酸铅1010000液体，固体磁伸缩式镍AF合金Ferrite10-100气体，液体，固体机械式Pohlman笛550液体Galton笛2100气体，液体Siren0.2250气体，液体有利

28、于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.2.1 压电压电式振动动因子 9.2.19.2.1压电式振动压电式振动因子压电式超声波是利用压电晶体，加入电压后，因子压电式超声波是利用压电晶体，加入电压后，产生的自由振荡信号。所使用的振动因子材料有产生的自由振荡信号。所使用的振动因子材料有三种，分别是水晶、三种，分别是水晶、RochelleRochelle盐及盐及ADPADP（Am-moniAm-monium Dihydrogen Phosphateum Dihydrogen Phosphate），图

29、），图9-109-10所示为这三类所示为这三类材料的结晶形态。材料的结晶形态。图图9-10 9-10 压电材料的结晶形态压电材料的结晶形态有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.2.1 压电压电式振动动因子表表9-49-4所示为各结晶体的切削角度及其它电气特性。所示为各结晶体的切削角度及其它电气特性。 材料CUT振动样式电介质常数(esu)密度(g/cm3)周波长常数N(KHzcm)压电伸缩常数(mks)电气机械结合系数(%)水晶Rochelle盐ADP4545厚度纵纵2.530015.5

30、2.651.771.802851601600.050.090.1779.56528表表9-4 9-4 压电材料常数压电材料常数有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.2.2 电电伸缩缩式振动动因子图图9- 9-11 电伸缩振动子的振动形态电伸缩振动子的振动形态9.2.29.2.2电伸缩式振动因子电伸缩式振动因子电伸缩材料不同于水晶类压电材料，可烧结任意电伸缩材料不同于水晶类压电材料，可烧结任意形状、尺寸的振动因子，图形状、尺寸的振动因子，图9-119-11所示为所示为6 6种电伸缩式种电伸

31、缩式材料常用烧结的形状。材料常用烧结的形状。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.2.2 电电伸缩缩式振动动因子在电伸缩材料的两电极间加入直流高电压并使得在电伸缩材料的两电极间加入直流高电压并使得正负变化，此时材料尺寸会有伸缩现象，因此会正负变化，此时材料尺寸会有伸缩现象，因此会压缩空气，形成振荡，传送出振动信号。电伸缩压缩空气，形成振荡，传送出振动信号。电伸缩式超声波信号送出的形式和材料的形状有关，如式超声波信号送出的形式和材料的形状有关，如图图9-11 9-11 所示，其形状不同，所

32、产生的信号振动方所示，其形状不同，所产生的信号振动方式也不同。式也不同。经常使用的电伸缩形式的材料有钛酸钡及锆酸钛经常使用的电伸缩形式的材料有钛酸钡及锆酸钛酸铅两种。书中表酸铅两种。书中表9-59-5为材料特性及一般用途。为材料特性及一般用途。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.2.3 磁伸缩缩式振动动因子9.2.39.2.3磁伸缩式振动磁伸缩式振动因子将镍等强磁性体做成棒状，置于磁场中磁化，因子将镍等强磁性体做成棒状，置于磁场中磁化，其长度会沿磁化方向发生变化，此即磁伸缩现象。其长度

33、会沿磁化方向发生变化，此即磁伸缩现象。磁伸缩现象依金属材质的不同，较常用的材质有磁伸缩现象依金属材质的不同，较常用的材质有镍、镍、aluferalufer合金（合金（AF AF 合金、合金、AL12AL12、Fe88Fe88）、）、fe ferriterrite烧结金属，其磁伸缩率各不相同，图烧结金属，其磁伸缩率各不相同，图9-129-12所示所示为各种形状的磁伸缩式振动因子，表为各种形状的磁伸缩式振动因子，表9-69-6为其材料为其材料特性。特性。 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9

34、.2.3 磁伸缩缩式振动动因子图图9-12 9-12 各种形态的磁伸缩各种形态的磁伸缩有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.2.3 磁伸缩缩式振动动因子名称纯镍AluferFerrite成分Ni 98%以上Fe 87%，Al 13%合金NiCu系Ferrite导磁系数4019020固有电阻（cm）710-69110-64102以上电气机械结合系数（%）20302022密谋（g/cm3）8.96.75.0波速（m/sec）480047005700静磁伸缩饱和应变-4010-63510-6-

35、3010-6最适偏移磁场（Oer）10156101015耐蚀性（海水中）良稍好极佳机械强度（kg/cm3）* 210-6* 1.410-6(1) 8.410-3(2)410-2(3) 9.810-2表表9-6 9-6 磁伸缩材料的特性比较磁伸缩材料的特性比较有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.2.3 磁伸缩缩式振动动因子综上所述，我们可将压电、电伸缩、磁伸缩各振综上所述，我们可将压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性做比较，如表动因子的特性做比较，如表9-79-7所示，供读者参考。所示，

36、供读者参考。振动原理压电电伸缩磁伸缩振动子材质水晶钛酸钡锆酸钛酸铅Ni and AluferFerrite最适使用周波数1MHz以上200KHz2MHz50KHz以下100KHz以下电气特性变化效率80%以上80%以上20-25%80%以下最大电气输入（水中）6W/cmcm6-10 W/cmcm6 W/cmcm连续电气输入（水中）3-6 W/cmcm6-10 W/cmcm3-6 W/cmcm表表9-7 9-7 压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性比较压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性比较有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛

37、围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.3 超声声波传传感器 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。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，而以压电式最为常用。式等，而以压电式最为常用。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传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压

38、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，可作为发射探头；而利用正压电效应，动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.3 超声声波传传感器超声波探头结构如图超声波探头结构如图9-139-13所示，主要由压电晶片、所示，主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。吸收块（阻

39、尼块）、保护膜组成。 图图9-13 9-13 压电式超声波传感器结构压电式超声波传感器结构有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路9.4.1 9.4.1 超声波传感器的驱动电路超声波传感器的驱动电路发射用的超声波传感器的驱动方式有自激型与他激发射用的超声波传感器的驱动方式有自激型与他激型之分。型之分。1. 1. 自激型驱动电路自激型驱动电路 自激型振荡电路就像石英振子那样，利用超声波传自激型振荡电路就像石英振子那样，利用超声波传感器自身的谐振特性使其在谐振频

40、率附近产生振荡。感器自身的谐振特性使其在谐振频率附近产生振荡。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-149-14是自激型晶体管振荡电路，其中是自激型晶体管振荡电路，其中MA40A3SMA40A3S是振荡频率为是振荡频率为40kHz40kHz的超声波传感器。的超声波传感器。H：振荡L：停振（a a）基本型）基本型 （b b）振荡可控型）振荡可控型图图9-14 9-14 自激型晶体管振荡电路自激型晶体管振荡电路有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活

41、力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-14(a)9-14(a)是科耳皮兹振荡电路。超声波传感器在是科耳皮兹振荡电路。超声波传感器在电感性的频率下产生振荡。该振荡频率与串联电感性的频率下产生振荡。该振荡频率与串联谐振频率不一致，造成这种现象的原因是由于谐振频率不一致，造成这种现象的原因是由于反谐振频率对它的影响，具体地讲就是反谐振频率对它的影响，具体地讲就是C1C1、C2C2的调整会影响的调整会影响fr fr。图图9-14(b)9-14(b)是一个具有振荡控制端的自激型晶体管是一个具有振荡控

42、制端的自激型晶体管振荡电路。由于它将图振荡电路。由于它将图9.9(a)9.9(a)的地接到了晶体管的地接到了晶体管V VT T2 2的集电极上，因此当的集电极上，因此当VTVT2 2截止时振荡就会停止。截止时振荡就会停止。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-15 9-15 使用运算放大器的自激放大电路使用运算放大器的自激放大电路表表9-5 9-5 元件清单元件清单名称名称图中代号图中代号型号型号备注备注运算放大器U1AMC34082FET输入，两

43、只装电阻器R1、R25%，1/4W碳膜电阻器电容C15%，50V聚酯薄膜电容超声波传感器MA40A3S谐振频率40kHz图图9-159-15是自激型运算放大器振荡放大电路，元件是自激型运算放大器振荡放大电路，元件清单如表清单如表9-59-5所示。所示。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路该电路的振荡频率接近串联谐振频率，因此效率该电路的振荡频率接近串联谐振频率，因此效率会比自激型晶体管振荡电路高出许多。会比自激型晶体管振荡电路高出许多。该电路中使用的运算

44、放大器是两只封装在一起的该电路中使用的运算放大器是两只封装在一起的摩托罗拉公司的摩托罗拉公司的MC34082MC34082型集成电路。事实上转型集成电路。事实上转换速度只要是在换速度只要是在10uV/us10uV/us以上的运算放大器，都以上的运算放大器，都可以使用。可以使用。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路2. 2. 他激型驱动电路他激型驱动电路 图图9-169-16为使用时基电路为使用时基电路555555的振荡电路，元件清单如的振荡电路，元件清单

45、如表表9-99-9所示。在他激型驱动电路中，具有可以自由选所示。在他激型驱动电路中，具有可以自由选择振荡频率的优点，这也带来了频率不够稳定的缺择振荡频率的优点，这也带来了频率不够稳定的缺点。点。振荡频率调整图图9-16 9-16 使用时基电路使用时基电路555555的他激型振荡电路的他激型振荡电路有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路名称名称图中代号图中代号型号型号备注备注定时器集成电路U1NE555电阻R3、R45%，1/4W碳膜电阻电阻R1、R22%，

46、1/4W金属膜电阻晶体管Q12SC181550V、0.1A以上电位器VR1单圈旋转型碳膜电位器电容C1C35%，50V聚酯薄膜电容超声波传感器MA40A3S谐振频率40kHz表表9-9 9-9 元件清单元件清单有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路555555电路在电路在10kHz10kHz以下时的振荡频率温度系数为以下时的振荡频率温度系数为50ppm/50ppm/，当频率进一步提高时频率温度特性会变差，在当频率进一步提高时频率温度特性会变差，在40kHz

47、40kHz时变为时变为100200 ppm/100200 ppm/。由此推算，当温度变化由此推算，当温度变化1010时频率的变化量约为时频率的变化量约为100Hz100Hz。这。这么大的变化量还不足以影响超声波传感器的正常工作。么大的变化量还不足以影响超声波传感器的正常工作。这里讲的温度系数只是其自身的温度系数，不包括元器件这里讲的温度系数只是其自身的温度系数，不包括元器件温度系数的影响。不过，只要温度系数的影响。不过，只要R1R1、R2R2选用温度系数小的金选用温度系数小的金属膜电阻器，属膜电阻器，C1C1选用温度系数小的聚丙烯薄膜电容器或聚选用温度系数小的聚丙烯薄膜电容器或聚苯乙烯薄膜电容

48、器即可。在宽带域超声波传感器的情况下，苯乙烯薄膜电容器即可。在宽带域超声波传感器的情况下，因为其通频带较宽，所以也可以使用聚酯薄膜电容器。因为其通频带较宽，所以也可以使用聚酯薄膜电容器。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。频率调整9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-17 9-17 为门电路驱动的电路。图为门电路驱动的电路。图9-17(a)9-17(a)是振荡电是振荡电路。路。4049B4049B内共有内共有6 6个电路，其中的个电路，其中的2 2个电路用于个电路用于构成振荡电路，另

49、外的构成振荡电路，另外的4 4个用于驱动超声波传感个用于驱动超声波传感器。器。(a)(a)基本电路基本电路图图9-17 9-17 由门电路构成的振荡电路由门电路构成的振荡电路有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-17(b)9-17(b)为振荡可控型电路。为振荡可控型电路。4011B4011B构成振荡电路，用构成振荡电路，用NANDNAND电路实现振荡控制。控制电压为电路实现振荡控制。控制电压为H H（高电平）时产生振荡，控（高电平）时产生振荡，控制

50、电压为制电压为L L（低电平）时停止振荡。超声波传感器的驱动是（低电平）时停止振荡。超声波传感器的驱动是4044049B9B来完成的。来完成的。图图9-17(b) 9-17(b) 带有振荡控制的门电路振荡电路带有振荡控制的门电路振荡电路有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。9.4 超声声波传传感器的基本电电路9.4.2 9.4.2 超声波传感器的接收电路超声波传感器的接收电路使用运算放大器的接收电路与元件清单使用运算放大器的接收电路与元件清单超声波传感器接收的信号，最大时约为超声波传感器接收