超声波式传感器

6:15AM14.6超声波式传感器•机器鱼自动避障模块设计•对于自动避障，本项目通过一个超声波传感器来实现。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声传感器（收发一体化TR）发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收，然后将这一接收信号放大后送入单片机。6:15AM24.6.1超声波及其物理性质波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播声波：其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于16Hz的机械波超声波：高于2×104Hz的机械波微波：频率在3×108~3×1011Hz之间的波6:15AM3图：声波的频率界限图101102103104105106107f/Hz微波探测超声波语言音乐声波次声波0.25×10620×1066:15AM4次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。产生次声波的声源是相当广泛的，现在人们已经知道的次声源有：火山爆发、坠入大气层中的流星、极光、地震、海啸、台风、雷暴、龙卷风、电离层扰动，等等。利用人工的方法也能产生次声波，例如核爆炸、火箭发射、化学爆炸，等等。大面积瞬间杀人于无形的次声波武器1.次声波6:15AM51980年，一艘名叫“马尔波罗”的帆船在由新西兰驶往英国的途中突然神秘地失踪；20年后，却在火地岛附近被人发现。船上的一切都原封不动、完好如初。就连已死多年的船员也都各就各位，保持着工作状态。科学家对他们的神秘死亡引起了极大的关注，经过长期研究，终于发现，原来他们正是死于海上风暴产生的次声。次声波的危害6:15AM61992年11月24日，桂林上空发生了一起空难，141人死亡。当事件的原因经多方解释而未肯定之时，中国声学研究所的专家，提出了存在着因“次声波”的作用而致使飞机坠毁的可能性。桂林属半丘陵地带，气团依山势走向而上下浮动，引起气流震动，会产生一种“山背波”的次声波，当飞机遇到这种危害极大的由次声波引起的晴空湍流时，如同落入一个风旋涡中，在挤压力、冲力等多种强劲外力的作用下，将造成飞机失控、产生机毁人亡的恶果。还有研究结果表明，次声波对飞机的影响还有一种“生物效应”。该理论认为，当次声波的频率接近人体频率时，就有可能产生“共振”，飞机驾驶员无法承受这种强烈的效应，就有致命的危险。也就是说，此次空难的凶手很可能就是这种次声波。6:15AM7次声波武器按照感官刺激分类，目前研制出来的次声武器可分为两种。一种是神经型次声武器，它通过发射频率与人脑的“阿尔法节律”相近（约5Hz）的次声波，刺激人的神经，使人晕眩头痛、精神错乱。另一种是器官型次声武器，通过发射频率与人体内脏固有频率相当（4～8Hz）的次声波，使人出现恶心呕吐、胃痛、呼吸困难等症状。相对于传统概念的武器，次声波武器具有隐蔽性强、传播速度快、传播距离远、穿透力强、不污染环境和破坏设施等特点，从而被列为新概念武器家族的重要成员，势必成为未来战场上的武器新宠。6:15AM8早在上世纪60年代，发达国家就竞相研究次声波武器。1972年法国国家实验中心制成一台强次声发生器，首次试验就使5公里以内的人员受到伤害。上世纪80年代法国科学家加弗罗制出了一种“大哨笛”次声发生器，声压级为160dB，能对人体器官产生损伤，当时法国报纸称它为“次声枪”。1979年苏联秘密进行次声炸弹试验，由于当时对其威力估计不足，又缺乏良好防护，造成数名现场人员死亡。法国科学家加夫雷奥声波武器鼻祖6:15AM9美国更是不甘落后。美国陆军武器研究室研制出一种可延伸至17米长的喇叭型声炮，发射功率达20kW（千瓦）。上世纪70年代，美警方开发了使人“僵化”或失去战斗力的次声武器，来控制骚乱。据称美国干涉波黑内战时，曾秘密用过这些非致命次声武器，仅几秒钟就使塞军阵地陷入一片混乱，有人昏倒，有人呕吐不止。远程声波设备目前已经广泛用于反暴乱和反恐行动,图为装备LRAD的美军“斯特赖克”装甲车6:15AM10次声波的应用(1)通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。(2)利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。6:15AM11(3)次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。(4)人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且他(或它)们的某些器官也会发出微弱的次声波。因此，可以利用测定这些次声波的特性来了解人体6:15AM122.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。6:15AM133.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。6:15AM14蝙蝠依靠超声波捕食6:15AM15超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。超声波雾化器超声波加湿器6:15AM16压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。超声波塑料焊接机6:15AM17超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。便携式超声波探鱼器6:15AM18鱼群探测器把这种探测器放在海里，它就会向水底发射声波，如果有鱼群通过，鱼群吐出的大量水泡会使声波反射回来，并通过压电陶瓷接收声波，变成电讯号，人们就可以从仪器上知道鱼群的位置。用同样的方法，也可以探测到海底暗礁，侦察在海洋里活动的敌人的潜水艇。6:15AM19美国蜂鸟595C系列鱼群探测器（GPS卫星定位彩屏3￥7580）6:15AM20超声波在医学检查中的应用胎儿B超影像6:15AM21超声波用于高效清洗当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声波清洗应用范围非常广泛，主要应用于机械、电子、光学、医药、电镀、涂装及真空镀膜前处理等行业。特别适用于表面形状复杂的零件，如对精密工件上的狭缝、凹槽、深孔、肓孔的清洗，同时能够清洗掉零件表面油污、锈蚀及氧化皮。特别对制药行业各种玻璃制器及内外科器械的清洗效果最为理想，不仅能达到清洗的目的，还能对玻璃器皿内外壁附着的各种微生物、病菌起到粉碎作用，达到消毒灭菌的作用。6:15AM22超声波清洗原理及清洗器超声换能器气泡波浪清洗物6:15AM23电子行业专用超声波清洗机电子零件的清洗/元器件的基体清洗/PCB板的清洗/电子材料加工成型后的清洗珠宝行业专用超声波清洗机液晶行业专用超声波清洗机6:15AM244.6.2超声波物理基础频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。6:15AM25纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播。表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。蓝姆波：蓝姆波沿着板的两个表面及中部传播。超声波种类6:15AM26纵波6:15AM27横波6:15AM28表面波6:15AM29图10-2超声波的反射和折射o介质1介质2折射波反射波入射波′超声波的反射和折射6:15AM30利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器，或超声波探测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。4.6.3超声波传感器原理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，在检测技术中压电式最为常用。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；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；由于其结构不同，分为直探头式、斜探头式和双探头式。6:15AM31压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。1.超声波的发生u压电片厚度d图9.3.1压电式超声波传感器超声波式中，n=1，2，3，…是谐波的级数；c为波在压电材料里的传播速度(纵波)；式中，E为杨氏模量；为压电材料的密度。d2cnfEcEd2nf压电材料的固有频率与晶体片厚度d有关，即因此，压电材料的固有频率为根据共振原理，当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波，产生的声强可达几十W／cm2。6:15AM32磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场，再加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。其结构形状有矩形、窗形等，如图所示。磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围以内，但功率可达十万W，声强可达几千W／cm2，能耐较高的温度。6:15AM332.超声波的接收在超声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。当超声波作用到磁致伸缩材料上时，使磁致材料伸缩，引起它的内部磁场(即导磁特性)的变化。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，并将此电动势送到测量电路及记录显示设备。它的结构也与发生器差不多。6:15AM34超声波传感器对6:15AM35超声波探头：超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。6:15AM36各种超声波探头常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。保护膜接插件6:15AM37接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件6:15AM38各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz6:15AM39接触法双晶直