第十章波式传感器精选文档.ppt

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1、第十章波式传感器本讲稿第一页，共八十八页引言引言超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在

2、两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。本讲稿第二页，共八十八页超声波及其物理性质超声波及其物理性质1超声波传感器的原理超声波传感器的原理2超声波传感器应用超声波传感器应用3本讲稿第三页，共八十八页10.1超声波及其物理性质超声波及其物理性质1、超声波的概念和波形、超声波的概念和波形机械

3、振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为听见声音的频率为20Hz20kHz，即为声波，超出此频，即为声波，超出此频率范围的声音，即率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强但反射能力越强 10.1.1 超声波的基本概念超声波的基本概念 本讲稿第四页，共八十八页图10-1声波的频率界

4、限图 当当超超声声波波由由一一种种介介质质入入射射到到另另一一种种介介质质时时，由由于于在在两两种种介介质质中中传传播播速速度度不不同同，在在介介质质界界面面上上会会产产生生反反射射、折折射射和和波波型型转转换等现象。换等现象。本讲稿第五页，共八十八页超声波的波型及其传播速度超声波的波型及其传播速度声声源源在在介介质质中中施施力力方方向向与与波波在在介介质质中中传传播播方方向向的的不不同同，声声波波的的波波型型也也不不同。通常有：同。通常有：纵纵波波：质质点点振振动动方方向向与与波波的的传传播播方方向向一一致致的的波波，它它能能在在固固体体、液体和气体介质中传播；液体和气体介质中传播；横横波波

5、：质质点点振振动动方方向向垂垂直直于于传传播播方方向向的的波波，它它只只能能在在固固体体介介质质中中传传播；播；表表面面波波：质质点点的的振振动动介介于于横横波波与与纵纵波波之之间间，沿沿着着介介质质表表面面传传播播，其其振振幅幅随随深深度度增增加加而而迅迅速速衰衰减减的的波波，表表面面波波只只在在固固体体的的表表面面传传播。播。本讲稿第六页，共八十八页 超超声声波波的的传传播播速速度度与与介介质质密密度度和和弹弹性性特特性性有有关关。超超声声波波在在气气体体和和液液体体中中传传播播时时，由由于于不不存存在在剪剪切切应应力力，所所以以仅仅有有纵纵波波的的传传播播，其其传传播播速速度度c为为 式

6、中：式中：介质的密度；介质的密度；Ba绝对压缩系数。绝对压缩系数。上上述述的的、Ba都都是是温温度度的的函函数数，使使超超声声波波在在介介质质中中的的传传播播速速度度随随温温度的变化而变化。度的变化而变化。本讲稿第七页，共八十八页0100范围内蒸馏水声速随温度的变化范围内蒸馏水声速随温度的变化 本讲稿第八页，共八十八页 从从表表可可见见，蒸蒸馏馏水水温温度度在在0100范范围围内内，声声速速随随温温度度的的变变化化而而变变化化，在在74 时时达达到到最最大大值值，大大于于74 后后，声声速速随随温温度度的的增增加加而而减减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。小。此外，水质、压强也会引起声速

7、的变化。在在固固体体中中，纵纵波波、横横波波及及其其表表面面波波三三者者的的声声速速有有一一定定的的关关系系，通通常常可可认认为为横横波波声声速速为为纵纵波波的的一一半半，表表面面波波声声速速为为横横波波声声速速的的90%。气气体中纵波声速为体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速在，液体中纵波声速在9001900m/s。本讲稿第九页，共八十八页超声波的反射和折射超声波的反射和折射 声声波波从从一一种种介介质质传传播播到到另另一一种种介介质质，在在两两个个介介质质的的分分界界面面上上一一部部分分声声波波被被反反射射,另另一一部部分分透透射射过过界界面面，在在另另一一种种介介质质内内部部继继

8、续续传传播播。这这样的两种情况称之为声波的反射和折射。样的两种情况称之为声波的反射和折射。本讲稿第十页，共八十八页 由由物物理理学学知知，当当波波在在界界面面上上产产生生反反射射时时，入入射射角角的的正正弦弦与与反反射射角角的的正正弦弦之之比比等等于于波波速速之之比比。当当波波在在界界面面处处产产生生折折射射时时，入入射射角角的的正正弦弦与与折折射射角角的的正正弦弦之之比比，等等于于入入射射波波在在第第一一介介质质中中的的波波速速c1与与折折射射波波在在第第二介质中的波速二介质中的波速c2之比，即之比，即 本讲稿第十一页，共八十八页声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:式中：I0,Ir

9、,It分别为入射波、反射波、透射波的声强；、分别为声波的入射角和折射角；z1、z2分别为两介质的声阻抗。本讲稿第十二页，共八十八页当超声波垂直入射界面，即=0时，则可知，若可知，若z2zc1，则反射系数，则反射系数R0，透射系数，透射系数T1，此，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若若z2z1,反射系数反射系数R1，则声波在界面上几乎全反射，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当透射极少。同理，当z1 z2时，反射系数时，反射系数R1，声波在，声波在界面上几乎全反射。如：在界面上几乎全反射。如：在20 水温时，水的特性阻

10、抗为水温时，水的特性阻抗为z1=1.48106kg/(m2s),空气的特性阻抗为空气的特性阻抗为z2=0.000 429106 kg/(m2s),z1 z2,故超声波从水介质中传播至故超声波从水介质中传播至水气界面时，水气界面时，将发生全反射。将发生全反射。本讲稿第十三页，共八十八页超声波的声速和波长超声波的声速和波长（1）声速）声速 纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗质的密度以及声阻抗。介质的声阻抗介质的声阻抗Z等于介质的密度等于介质的密度和声速和声速c的乘积，即的乘积，即Z=c（2）波长）波长超声波的波

11、长超声波的波长与频率与频率f乘积恒等于声速乘积恒等于声速c，即，即 f=c 本讲稿第十四页，共八十八页常用材料的密度、声阻抗与声速（常用材料的密度、声阻抗与声速（0）材材 料料密度密度(103kgm-1)声阻抗声阻抗Z（103MPas-1）纵波声速纵波声速cL（km/s）横波声速横波声速cs（km/s）钢钢7.8465.93.23铝铝2.7176.323.08铜铜8.9424.72.05有机玻璃有机玻璃1.183.22.731.43甘油甘油1.262.41.92水（水（20）1.01.481.48油油0.91.281.4空气空气0.00130.00040.34本讲稿第十五页，共八十八页超声波的

12、指向性超声波的指向性 超超声声波波声声源源发发出出的的超超声声波波束束以以一一定定的的角角度度逐逐渐渐向向外外扩扩散散。在在声声束束横横截截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。1超声源超声源 2轴线轴线 3指向角指向角 4等强度线等强度线本讲稿第十六页，共八十八页指向角与超声源的直径D、以及波长之间的关系为sin=1.22/D设超声源的直径D=20mm，射入钢板的超声波（纵波）频率为5MHz，则根据式（可得=4o，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。本讲稿第十七页，共八十八页 超声波的衰减超声波的衰减声声波波在在介介质质

13、中中传传播播时时，随随着着传传播播距距离离的的增增加加，能能量量逐逐渐渐衰衰减减，其其衰衰减减的的程程度度与与声声波波的的扩扩散散、散散射射及及吸吸收收等等因因素素有有关关。其其声声压压和和声声强强的的衰衰减减规律为规律为 式中：Px、Ix距声源x处的声压和声强；x声波与声源间的距离；衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。本讲稿第十八页，共八十八页 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在在理理想想介介质质中中，声声波波的的衰衰减减仅仅来来自自于于声声波波的的扩扩散散衰衰减减，即即随随声声波波传播距离增加而引

14、起声能的减弱。传播距离增加而引起声能的减弱。散散射射衰衰减减是是指指超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时，固固体体介介质质中中的的颗颗粒粒界界面面或或流流体体介介质质中中的的悬悬浮浮粒粒子子使使声声波波产产生生散散射射，其其中中一一部部分分声声能能不不再再沿沿原原来来传传播播方方向向运运动动，而而形形成成散散射射。散散射射衰衰减减与与散散射射粒粒子子的的形形状状、尺尺寸寸、数数量量、介介质的性质和散射粒子的性质有关。质的性质和散射粒子的性质有关。吸吸收收衰衰减减是是由由于于介介质质粘粘滞滞性性，使使超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时造造成成质质点点间间的的内内摩摩擦擦，从从而而使使一

15、一部部分分声声能能转转换换为为热热能能，通通过过热热传传导导进进行行热热交交换换，导导致声能的损耗。致声能的损耗。本讲稿第十九页，共八十八页10.2超声波传感器超声波传感器 利利用用超超声声波波在在超超声声场场中中的的物物理理特特性性和和各各种种效效应应而而研研制制的的装装置置可可称为超声波换能器、探测器或传感器。称为超声波换能器、探测器或传感器。超超声声波波探探头头按按其其工工作作原原理理可可分分为为压压电电式式、磁磁致致伸伸缩缩式式、电电磁磁式式等等，其其中中以以压压电电式式最最为为常常用用。压压电电式式超超声声波波探探头头常常用用的的材材料料是是压压电电晶晶体体和和压压电电陶陶瓷瓷，这这

16、种种传传感感器器统统称称为为压压电电式式超超声声波波探探头头。它它是是利利用用压压电电材材料料的的压压电电效效应应来来工工作作的的：逆逆压压电电效效应应将将高高频频电电振振动动转转换换成成高高频频机机械械振振动动，从从而而产产生生超超声声波波，可可作作为为发发射射探探头头；而而正正压压电电效效应应是是将将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。本讲稿第二十页，共八十八页 超超声声波波探探头头主主要要由由压压电电晶晶片片、吸吸收收块块（阻阻尼尼块块）、保保护护膜膜、引引线线等等组组成成。压压电电晶晶片片多多为为圆圆板板形形，厚厚度度为为。超超声声波波频频率

17、率f与与其其厚厚度度成成反反比比。压压电电晶晶片片的的两两面面镀镀有有银银层层，作作导导电电的的极极板板。阻阻尼尼块块的的作作用用是是降降低低晶晶片片的的机机械械品品质质，吸吸收收声声能能量量。如如果果没没有有阻阻尼尼块块，当当激激励励的的电电脉脉冲冲信信号号停停止止时时，晶晶片片将将会会继继续续振振荡荡，加加长长超超声声波波的的脉脉冲冲宽宽度，使分辨率变差。度，使分辨率变差。本讲稿第二十一页，共八十八页本讲稿第二十二页，共八十八页本讲稿第二十三页，共八十八页双晶直探头双晶直探头 由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶

18、片发射超声波，另一片晶片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能波，另一片晶片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。略有倾斜的晶片好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块，它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延迟一下方还设置延迟块，它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件接近表面处的盲区，提高分辨能段时间后才入射到试件中，可减小试件接近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声力。双晶探头的结构虽然复杂些，但

19、检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。本讲稿第二十四页，共八十八页斜探头斜探头 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机等）的有机玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声盖。当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。过计算求得。本

20、讲稿第二十五页，共八十八页本讲稿第二十六页，共八十八页聚焦探头聚焦探头 分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，是一分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，是一种很有发展前途的新型探头。种很有发展前途的新型探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波，也可聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波，也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜，还可利以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜，还可利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。如果将双晶直探头的延迟块按上述方法加工，波。如果将双晶直探头的延迟块按上述方法加工，也可具有聚焦功能。也可具有聚

21、焦功能。本讲稿第二十七页，共八十八页箔式探头箔式探头 利用压电材料聚偏二氟乙烯（利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头，可薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头，可以获得以获得0.2mm直径的超细声束，用在医用直径的超细声束，用在医用CT诊诊断仪器上可以获得很高清晰度的图像。断仪器上可以获得很高清晰度的图像。本讲稿第二十八页，共八十八页空气传导型探头空气传导型探头 超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同，的，两者结构也略有不同，发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发

22、射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率。空气只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围可达几传导的超声发射器和接收器的有效工作范围可达几米至几十米。米至几十米。本讲稿第二十九页，共八十八页1外壳外壳 2金属丝网罩金属丝网罩 3锥形共振盘锥形共振盘 4压电晶体片压电晶体片5引脚引脚 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7超声波束超声波束本讲稿第三十页，共八十八页本讲稿第三十一页，共八十八页超声波探头耦合剂超声波探头耦合剂 一般不能直接将其放

23、在被测介质表面来回移动，以防一般不能直接将其放在被测介质表面来回移动，以防磨损。磨损。空气的密度很小，将引起空气的密度很小，将引起3个界面间强烈的杂乱反射波，个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。小耦合损耗。本讲稿第三十二页，共八十八页10.3 超声波传感器应用超声波传感器应用 超声波物位传感器超声波物位传感器 超超声声波波物物位位传

24、传感感器器是是利利用用超超声声波波在在两两种种介介质质的的分分界界面面上上的的反反射射特特性性而而制制成成的的。如如果果从从发发射射超超声声脉脉冲冲开开始始，到到接接收收换换能能器器接接收收到到反反射射波波为为止止的的这这个个时时间间间间隔隔为为已已知知，就就可可以以求求出出分分界界面面的的位位置置，利利用用这这种种方方法法可可以以对对物物位位进进行行测测量量。根根据据发发射射和和接接收收换换能能器器的的功功能能，传传感感器器又又可可分分为为单单换换能能器器和和双双换换能能器器。单单换换能能器器的的传传感感器器发发射射和和接接收收超超声声波波使使用用同同一一个个换换能能器器，而双换能器的传感器

25、发射和接收各由一个换能器担任。而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。本讲稿第三十三页，共八十八页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本讲稿第三十四页，共八十八页 对于单换能器来说，对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换又从液面反射到换能器的时间为能器的时间为 则则 式中：式中：h换能器距液面的距离；换能器距液面的距离；c超声波在介质中传播的速度。超声波在介质中传播的速度。本讲稿第三十五页，共八十八页 对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而，

26、而 因此液位高度为因此液位高度为 式中：式中：s超声波从反射点到换能器的距离；超声波从反射点到换能器的距离；a两换能器间距之半。两换能器间距之半。本讲稿第三十六页，共八十八页超声波流量传感器超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定方法是多样的，超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。要是超声波传播时间差法。超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的

27、，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量便可知道流体的流量。本讲稿第三十七页，共八十八页本讲稿第三十八页，共八十八页超声波测厚传感器超声波测厚传感器 超声波测厚常用脉冲回波法。超声波测厚常用脉冲回波法。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。

28、如波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速果超声波在工件中的声速是已知的，设工件厚度为是已知的，设工件厚度为，脉冲波从发射到，脉冲波从发射到接收的时间间隔接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度为可以测量，因此可求出工件厚度为=t/2本讲稿第三十九页，共八十八页环境考虑因素环境考虑因素气流外部噪音温度作用传感器被污染目标物体本讲稿第四十页，共八十八页气流气流气流会造成声波的偏转折射气流会造成声波的偏转折射目标物体Sensor本讲稿第四十一页，共八十八页外部噪音外部噪音本讲稿第四十二页，共八十八页温度作用温度作用冷冷低温环境会降低声波的传播速度低温

29、环境会降低声波的传播速度高温环境会提高声波的传播速度高温环境会提高声波的传播速度3cm3cm3cm3cm热热本讲稿第四十三页，共八十八页传感器被污染传感器被污染异物的聚集作用异物的聚集作用*导致弱信号输出导致弱信号输出*导致无反射信号导致无反射信号注意注意:尽管传感器被污染也是一个需要考虑的因素，但超声波传感尽管传感器被污染也是一个需要考虑的因素，但超声波传感器仍然能够在充满异物的操作环境中，卓越的完成传感监测工作。器仍然能够在充满异物的操作环境中，卓越的完成传感监测工作。本讲稿第四十四页，共八十八页目标物体材料目标物体材料目目标标表表面面粗糙的目标表面会对声波有散射作用粗糙的目标表面会对声波

30、有散射作用如目标物体是柔软或海面状的，反射信号是最小值。如目标物体是柔软或海面状的，反射信号是最小值。33cm3cm3本讲稿第四十五页，共八十八页目标形状目标形状-目标物体上的突起会对声波有散射作用目标物体上的突起会对声波有散射作用33cm3cm3本讲稿第四十六页，共八十八页目标大小目标大小小型目标物体只能反射部分声波小型目标物体只能反射部分声波1cm13cm本讲稿第四十七页，共八十八页 由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪、物位测量仪等。利用超声波检测往往常用于距离的测量，如测距仪、物位测量

31、仪等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即超声波发射在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止

32、计时。超声波在空气中传播速度为后就立即停止计时。超声波在空气中传播速度为340m/s340m/s，根据计时器，根据计时器记录的时间记录的时间t t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，就可以计算出发射点距障碍物的距离s s。即：即：s=340s=340t/2t/2，这就是所谓的时间差测距法。，这就是所谓的时间差测距法。超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计本讲稿第四十八页，共八十八页本讲稿第四十九页，共八十八页工作频率的确定主要基于以下几点考虑：工作频率的确定主要基于以下几点考虑：(1)如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质

33、对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。就必须降低工作频率。(2)工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节细节”容易辩识容易辩识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。(3)从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，从传

34、感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。制造和安装就越困难。本讲稿第五十页，共八十八页超声波测距仪的总体设计方案超声波发射头超声波发射头超声波接收头超声波接收头振荡电路振荡电路驱动电路驱动电路波形变换波形变换放大电路放大电路控制控制处理处理单元单元显示显示电源部分电源部分发射电路接收电路控制部分电源部分本讲稿第五十一页，共八十八页超声波发射电路主要由振荡电路、驱动电路和超声波超声波发射电路主要由振荡电路、驱动电路和超声波发射头组成。振荡电路产生超声波传感器工作需要的发射头组成。振荡电路产生超声波传感器工作需要的40kHz频率信号。由于超声波振子也有约频率信号。由于超

35、声波振子也有约2000PF的电容，有的电容，有充放电电流流通，因此，采用驱动电路增大驱动电流，充放电电流流通，因此，采用驱动电路增大驱动电流，有效驱动超声波振子发送超声波。使用方波进行驱动时，有效驱动超声波振子发送超声波。使用方波进行驱动时，由于振子的谐振作用，也变为正弦波进行发送。由于振子的谐振作用，也变为正弦波进行发送。振荡电路可用振荡电路可用555产生占空比可调的产生占空比可调的40kHz方波信号。方波信号。超声波发射头超声波发射头振荡电路振荡电路驱动电路驱动电路本讲稿第五十二页，共八十八页振荡电路部分驱动电路部分控制电路部分本讲稿第五十三页，共八十八页本电路中采用本电路中采用555定时

36、器构成振荡电路，定时器构成振荡电路，2脚（脚（6脚）及地之间的电容不断的进行充、放电，导致脚）及地之间的电容不断的进行充、放电，导致555时基时基电路处于置位与复位反复交替的状态，即输出端电路处于置位与复位反复交替的状态，即输出端3脚交替输出脚交替输出高电平与低电平，输出波形为近似矩形波，此电路也称为高电平与低电平，输出波形为近似矩形波，此电路也称为自激多谐振荡器。自激多谐振荡器。本讲稿第五十四页，共八十八页 555 555多谐振荡器的基本电路如图所示。电路初次通电时，由于电容多谐振荡器的基本电路如图所示。电路初次通电时，由于电容C C两端电压不能突变，两端电压不能突变，555555的的2 2

37、脚为低电平，脚为低电平，555555时基电路置位，即时基电路置位，即3 3脚输出高电平，内部放电晶体管截止，脚输出高电平，内部放电晶体管截止，7 7脚被脚被悬空，此时正电源悬空，此时正电源V VDDDD通过电阻通过电阻R1R1、R2R2向电容向电容C C充电，使充电，使C C两端电压不断升高，约经时间两端电压不断升高，约经时间t tH H，C C两端电压即阈值端（两端电压即阈值端（6 6脚）电平升至脚）电平升至2V2VCCCC/3/3时，时，555555时基电路翻转复位，时基电路翻转复位，3 3脚输出脚输出低电平，同时内部放电晶体管导通，低电平，同时内部放电晶体管导通，7 7脚也为低电平，此时

38、电容脚也为低电平，此时电容C C储存电荷将通过储存电荷将通过R2R2向向7 7脚放电，使脚放电，使C C两端电压即两端电压即555555的触发端的触发端2 2脚电平不断下降，约经脚电平不断下降，约经t tL L时间，电压降时间，电压降至至V VCCCC/3/3时，时，555555时基电路又翻转置位，时基电路又翻转置位，3 3脚又输出高电平，脚又输出高电平，7 7脚再次被悬空，正电源又通过脚再次被悬空，正电源又通过R1,R1,R2R2向向C C充电，如此周而复始，电容充电，如此周而复始，电容C C不断处于充电与放电状态，电路引起振荡，不断处于充电与放电状态，电路引起振荡，3 3脚将交替输出高脚将

39、交替输出高电平和低电平。电平和低电平。本讲稿第五十五页，共八十八页 555555多谐振荡电路的脉冲宽度多谐振荡电路的脉冲宽度T TL L由电由电容容C C 的放电时间来决定：的放电时间来决定：TL0.7R2CTH由电容由电容C C 的充电时间来决定：的充电时间来决定：TH0.7（R1+R2）C输出振荡信号的周期为：输出振荡信号的周期为：T T=T TL L+T TH H频率为：频率为：输出脉冲占空比为：输出脉冲占空比为：占空比：正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。本讲稿第五十六页，共八十八页若调整可调电阻若调整可调电阻VR1，可改变输出矩形，可改变输出矩形波的频率和占空比。波的频率和占空比。当

40、调整当调整VR1使得输使得输出为出为40kHz时，由时，由于（于（VR1+R2）R3，输出波形占，输出波形占空比约为空比约为50%，为，为近似理想对称方波。近似理想对称方波。555的强制复位端的强制复位端4脚由另一个脚由另一个555低频低频振荡器的输出取反振荡器的输出取反后控制。后控制。本讲稿第五十七页，共八十八页ControlIC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制，输出约1ms频率40kHz，占空比50的脉冲，停止约70ms。本讲稿第五十八页，共八十八页本电路采用本电路采用CMOS六反相器六反相器CD4069构成构成驱动电路，为了增大驱动电流，可以采用驱动电路，为了增大驱

41、动电流，可以采用CD4069中两个甚至三个方向器并联的方式实现。中两个甚至三个方向器并联的方式实现。本讲稿第五十九页，共八十八页CD4069由于超声波传感器具有高阻特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个并联，输出电流加倍，驱动能力提高。本讲稿第六十页，共八十八页超声波接收电路的基本工作原理超声波接收电路的基本工作原理 超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。波形变换电路三部分。由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须

42、经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号以判断是经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号以判断是否有回波及回波的大小。否有回波及回波的大小。超声波接收头超声波接收头波形变换波形变换放大电路放大电路本讲稿第六十一页，共八十八页超声波接收电路图放大电路1检波电路放大电路2接收部分比较输出本讲稿第六十二页，共八十八页超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于

43、产生信号失真。本讲稿第六十三页，共八十八页倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。检波电路作用：检出反射脉冲信号的直流电压以判断有无反射信号。本讲稿第六十四页，共八十八页电容的作用电容的作用1）旁路旁路旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。本讲稿第六十五页，共八十八页2）去耦去耦去耦，又称解耦。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比

44、较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。去耦电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他

45、们的本质区别。本讲稿第六十六页，共八十八页3）滤波滤波从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1uF的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过。本讲稿第六十七页，共八十八页本讲稿第六十八页，共八十八页本讲稿第六十九页，共八十八页 微波是一种高频率的电磁波，其频率范围约在300300 000MHz(相应的波长为10001cm)在300MHz至300GHz之间它具

46、有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性微波量子的能量为1 99l0-25 19910-22j它与生物组织的相互作用主要表现为热效应和非热效应。微波能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。微波还能够对氢键、疏水键和范德华产生作用，使其重新分配，从而改变蛋白质的构象与活性。生物体的非热特性一 生物效应是微波的重要特性之一，它已成为医学、细胞学等方面研究的一个重要方面，同时它也能为微波理疗或微波手术等方面提供理论依据 随着人们对微波加热技术认识的深入，它已引起了许多科学工

47、作者的关注，并在一些方面进行了深入而广泛的研究。微波传感器本讲稿第七十页，共八十八页概述：概述：微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件。包括感应物体的存在，运动速度，距离，角度信息。本讲稿第七十一页，共八十八页微波传感器微波传感器-原理：原理：由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波，线接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。现

48、了微波检测。本讲稿第七十二页，共八十八页 微波传感器主要由微波振荡器和微波天微波传感器主要由微波振荡器和微波天线组成。微波振荡器是产生微波的装置。线组成。微波振荡器是产生微波的装置。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。由微波振荡器产生的振或某些固体元件。由微波振荡器产生的振荡信号需用波导管传输，并通过天线发射荡信号需用波导管传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有一致的方向出去。为了使发射的微波具有一致的方向性，天线应具有特殊的构造和形状。性，天线应具有特殊的构造和形状。本讲稿第七十三页，共八十八页二、微波传感器及其分类微波传感器就是指

49、利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成为电信号，再经过信号调理电路后，即可显示出被测量，从而实现微波检测过程。根据上述原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。本讲稿第七十四页，共八十八页1、反射式微波传感器反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测物的位置、位移、厚度等参数。2、遮断式微波传感器遮断式微波传感器是通过检测接收天线接收到的微波功率大小，来判断发射天线与接收天线之间有无被测物或被测物的位置与含水量等参数

50、。本讲稿第七十五页，共八十八页微波传感器的优点及存在的问题微波传感器的优点及存在的问题1、优点实现非接触测量测量速度、灵敏度高能在恶劣环境条件下检测输出信号可以调制在载频信号上进行发射与接收，便于实现遥测与遥测2、微波传感器存在的问题微波传感器的主要问题是零点漂移和标定问题，这尚未得到很好的解决。其次，使用的时候外界因素影响比较多，如温度、气压，取样位置等。本讲稿第七十六页，共八十八页微波微波传感器的感器的应用用1、微波湿度（水分）传感器、微波湿度（水分）传感器酒精含水量测量仪框图 MS A1 A2 T1 T2 PTAT DD 含水酒精不含水酒精本讲稿第七十七页，共八十八页授课教师：王 翥2、