第9章超声波传感器

第9章超声波传感器C9.1超声波及其性质19.2超声波发生法与振动因子的设计9.3超声波传感器的结构39.4超声波传感器的基本电路4259.5超声波传感器的应用概述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之一。◆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。9.1超声波及其性质9.1.1超声波的频率范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，使听觉神经感受到响声。◆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为16Hz—20KHz，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范围大致可绘成如果9-1所示的关系图。9.1超声波及其性质◆超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将20KHz以上的音波称为超声波（Ultrasonicwave）。但是听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合使用，也将频率降至10KHz，但有时也可能将频率升到1000MHz。图9-1人耳感音频率范围9.1超声波及其性质9.1.2超声波的种类◆超声波的发射方式不同分为五类•图（a）纵波，介质粒子的振动与波的进行方向一致，专供强力超声波的运用。•图(b)为纵波，比起图(a)的纵波，波速慢了许多，主要是因为此类纵波是在直径较小的棒中传输。9.1超声波及其性质•图(c)为横波，介质粒子的振动与垂直波的进行方向一致，常用于超声波探勘计等的计测。•图(d)为表面波•图(e)为弯曲波，在沿波进行方向的中心线上介质粒子进行横振动，接近介质表面的粒子进行压缩、伸张运动。9.1超声波及其性质9.1.3超声波的波速与波长◆超声波的波速C、波长λ、频率f之间有下列关系：C=f×λ◆超声波在各种介质中的波速是不同的。9.1超声波及其性质9.1.4超声波的损失◆随着距离的增加波面会扩大，从而造成扩散损失。◆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。一般称为吸收损失，也称衰减。◆频率愈低的超声波衰减愈小。9.1.5超声波的指向性9.1.5超声波的指向性如图9-5所示，使一个半径为R的圆板波源呈活塞状振动，发射出具有λ波长的超声波，则其指向角θ可以表示为sinθ=λ／R。例如从直径30mm的振动因子，对油中发射出1MHz的超声波，使得λ／R=10，于是其指向角θ=4°。可见，欲使超声波角度集中，可减小λ或增大R，但一般以减小λ居多。图9-5超声波的指向性9.1超声波及其性质9.1.6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Z决定。◆特性阻抗Z=介质密度ρ×音速C。9.1超声波及其性质由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。图9-6超声波的反射与透射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9-6，则音波的反射率γ可用下式表示：2121ZZZZ1、反射9.1超声波及其性质图9-7所示为在不同介质间设厚度为L的其它介质，传播超声波时，若将遮断超声波，此时的透射率T1为：13122221313224cossinZZTZZZZKLZKLZ图9-7不同媒质间的反射与透射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T可以用下式表示：22211222121411ZZZZTZZZZ2、透射9.1超声波及其性质•若邻接中间介质的左右介质相同，即Z1＝Z2时，则T1可简化为：•式中K=2πf/C2，Z1=ρ1C1，Z2=ρ2C2，Z3=ρ3C3，f为超声波的频率。1222211244cossinTZZKLKLZZ9.1超声波及其性质由上式可推论得知，越增大穿透率T1，可以使中间层Z2尽量接近Z1，而且用薄板（使L愈小愈好），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T1变成：12211241TZZZZ9.1超声波及其性质如图9-8，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θi，折射角为θt，C1为入射前的波速，C2为折射后的波速，其关系可以下式表示：21sinsinitCC图9-8超声波的折射3、折射9.1超声波及其性质9.1.7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。9.1超声波及其性质•在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散,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,介质吸收声能并转换为热能。9.1.8超声波的衰减声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减。能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。9.1超声波及其性质9.1.9超声波的干涉◆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。9.2超声波发生法与振动因子的设计目前较常用的超声波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。电气驱动式超声波依驱动原理，可分为压电式、电伸缩式、磁伸缩式等三种。9.2.1压电式振动因子9.2.1压电式振动压电晶体，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三种，分别是水晶、Rochelle盐及ADP（Am-moniumDihydrogenPhosphate），图9-10所示为这三类材料的结晶形态。图9-10压电材料的结晶形态9.2.2电伸缩式振动因子图9-11电伸缩振动子的振动形态9.2.2电伸缩式振动因子电伸缩材料不同于水晶类压电材料，可烧结任意形状、尺寸的振动因子，图9-11所示为6种电伸缩式材料常用烧结的形状。9.2.2电伸缩式振动因子◆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，其形状不同，所产生的信号振动方式也不同。◆经常使用的电伸缩形式的材料有钛酸钡及锆酸钛酸铅两种。9.2.3磁伸缩式振动因子9.2.3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，其长度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，其磁伸缩率各不相同。较常用的材质有镍、alufer合金（AF合金、AL12％、Fe88％）、ferrite（铁酸盐）烧结金属。9.2.3磁伸缩式振动因子综上所述，可将压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性做比较，如表9-7所示。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NiandAluferFerrite最适使用周波数1MHz以上200KHz—2MHz50KHz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/cm∙cm6-10W/cm∙cm6W/cm∙cm连续电气输入（水中）—3-6W/cm∙cm6-10W/cm∙cm3-6W/cm∙cm表9-7压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性比较9.3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。◆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，可作为发射探头；正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。9.3超声波传感器◆超声波探头结构如图9-13所示，主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。图9-13压电式超声波传感器结构9.4超声波传感器的基本电路9.4.1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型。1.自激型驱动电路自激型振荡电路就像石英振子那样，利用超声波传感器自身的谐振特性使其在谐振频率附近产生振荡。9.4超声波传感器的基本电路◆图9-14是自激型晶体管振荡电路，其中MA40A3S是振荡频率为40kHz的超声波传感器。（a）基本型图9-14自激型晶体管振荡电路图9-14(a)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C1、C2的调整会影响fr。9.4超声波传感器的基本电路◆图9-14(b)是一个具有振荡控制端的自激型晶体管振荡电路。由于它将图(a)的地接到了晶体管VT2的集电极上，因此当VT2截止时振荡就会停止。（b）振荡可控型图9-14自激型晶体管振荡电路9.4超声波传感器的基本电路图9-15使用运算放大器的自激放大电路名称图中代号型号备注运算放大器U1AMC34082FET输入，两只装电阻器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9-15是自激型运算放大器振荡放大电路，元件清单如表9-5所示。碳膜电阻器是用有机粘合剂将碳墨、石墨和填充料配成悬浮液涂覆于绝缘基体上，经加热聚合而成。它的电性能和稳定性较差，一般不适于作通用电阻器。但由于它容易制成高阻值的膜，所以主要用作高阻高压电阻器。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。表9-5元件清单9.4超声波传感器的基本电路2.他激型驱动电路•图9-16为使用时基电路555的振荡电路。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点。振荡频率调整图9-16使用时基电路555的他激型振荡电路9.4超声波传感器的基本电路名称图中代号型号备注定时器集成电路U1NE555振荡延时电阻R3、R45%，1/4W碳膜电阻电阻R1、R22%，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C1~C35%，50V聚酯薄膜电容超声波传感器MA40A3S谐振频率40kHz表9-9元件清单稳定，误差小，精度高，体积小。聚酯薄膜电容是用聚酯薄膜做电容两极间的介质.它与普通电容区别是它可以使体积较小耐压较高.9.4超声波传感器的基本电路◆555电路在10kHz以下时的振荡频率温度系数为50ppm/℃，当频率进一步提高时频率温度特性会变差，在40kHz时变为100~200ppm/℃。◆由此推算，当温度变化10℃时频率的变化量约为100Hz。这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，不包括元器件温度系数的影响。不过，只要R1、R2选用温度系数小的金属膜电阻器，C1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。频率调整9.4超声波传感器的基本电路◆图9-17为门电路驱动的电路。图9-17(a)是振荡电路。4049B内共有6个电路，其中的2个电路用于构成振荡电路，另外的4个用于驱动超声波传感器。(a)基本电路图9-17由门电路构成的振荡电路9.4超声波传感器的基本电路◆图9-17(b)为振荡可控型电路。4011B构成振荡电路，用NAND电路实现振荡控制。控制电压为H（高电平）时产生振荡，控制电压为L（低电平）时停止振荡。超声波传感器的驱动是4049B来完成的。图9-17(b)带有振荡控制的门电路振荡电路9.4超声波传感器的基本电路9.4.2超声波传感器的接收电路1.使用运算