超声波及超声波传感器.pdf

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1、-1.1.超声波物理原理及特性分析；超声波物理原理及特性分析；声波是物体机械振动状态或能量的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进展的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz 以上的，其每秒的振动次数频率甚高，超出了人耳听觉的一般上限20000Hz，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。超声波具

2、有如下特性：1、超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2、超声波可传递很强的能量。3、超声波会产生反射、干预、叠加和共振现象。4、超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。超声波具有的特点：1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息 诊断或对传声媒质产生效应。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介如B超等用作诊断；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致

3、破坏后者的状态，性质及构造用作治疗。超声波以直线方式传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这就使得超声波使用变得非常简单。2.2.超声波电声转换器工作原理及性能分析；超声波电声转换器工作原理及性能分析；为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括电压型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不一样，因而用途

4、也各不一样。目前较为常用的是压电式超声波发生器。.z.-压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图4-3 所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。假设在图 4-3a 所示的已极化的压电陶瓷上施加如图 4-3b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。假设外部施加的极性变反，如图 4-3c 所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。图 4-3 压电逆效应超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极

5、化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起局部支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。采用双晶振子的超声波传感器,假设在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施加 40kHz 的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送 40kHz

6、频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。假设接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进展振动，于是，就产生与超声波频率一样的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。现以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表 4-2 示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为 40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。表

7、4-2超声波传感器 MA40S2R/S 的特性种类特性标称频率灵敏度带宽电容绝缘电阻温度特性MA40S2R 接收40kHz74dB 以上6kHz 以上(80dB)1600pF100M 以上20+60范围内灵敏度变化在10dB 以内100dB 以上7kHz 以上(90dB)1600pFMA40S2S 发送数据来源：2005 年 4 月传感器技术及其应用.z.-超声波传感器的带宽较窄，大局部是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可防止的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进展频率调整和阻抗匹配。MA40S2R/

8、S 传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。图 4-4 表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进展温度补偿，在传感器内部也要进展温度补偿。图 4-4 传感器的方向性超声波传感器的检测方式：第一、穿透式超声波传感器的检测方式当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。这种方式的检测距离约1m，作为标准被检测物体使用100mm1

9、00mm 的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。第二、限定距离式超声波传感器的检测方式当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。假设被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。假设被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。假设被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。第三、限定范围式超声波传感器的检测方式在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，假设检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。另外，检测范

10、围也可以是由距离切换开关设定的范围。第四、回归反射式超声波传感器的检测方式回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的一样，主要用于发送器设置与布线困难的场合。假设反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感器的反射板。另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测.z.-物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器。超声波传感器系统的构成：超声波传感器系统由发送器、接收器、控制局部以及电源局部构成，如图

11、4-5 所示。发送器常使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进展检测。图 4-5 超声波传感器系统的构成控制局部判断接收器的接收信号的大小或有无，作为超声波传感器的控制输出。对于限定范围式超声波传感器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收到任意距离的反射波。另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测物体的范围。超声波传感器的电源常 由外部供电，一般为 直流电压，电压范围为1224V

12、10%，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路。3 3、超声波测距原理、超声波测距原理超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOFtime of flight。它通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所发射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 T，然后求出距离 S。一般采用渡越时间法：即S=CT/2，其中S 为测量点与被测物体之间的距离，C

13、 为声波在介质此处为空气中的传播速度，T 为超身波发射到返回的时间间隔。由于超声波也是一种声波，其声速 C 与空气温度有关，一般来说，温度每升高1 摄氏度，声速增加 0.6米秒。下表列出了几种温度下的声速：声速与温度的关系表温度 摄氏度-30-20-10声速米/秒 3133193250323103382034430349100386在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速C 是根本不变的，计算时取 C 为 340m/s。超声波的测距原理如下列图所示。单片机发出40KHZ 的.z.-信号，经放大电路放大后通过超声波发射器发出;超声波接收器将接收到的信号经放大器放大，用锁相环电路进展检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 T，在由软件进展判别、计算，得出距离。.z.