超声波传感器概要

超声波传感器张凯学习内容一、超声波的概述二、超声波传感器的工作原理三、超声波传感器的测量电路四、超声波传感器的应用1、超声波及其基本特性•波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。频率：次声波、声波、超声波、微波次声波声波超声波微波音乐语言探测)(101010101010107654321zHf声波频率界限图次声波：低于16Hz的机械波；声波：其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波；超声波：高于2×104Hz的机械波；微波：频率在3×108~3×1011Hz之间的波；一、超声波的概述声波的分类1.次声波次声波是频率低于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。2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。3.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。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2、超声波的波型及其转换和波速•纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气）•横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）•表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）L1界面介质1介质22L1L2S1S2L—入射纵波；L1—反射纵波；L2—折射纵波S1—反射横波；S2—折射横波。纵波横波表面波超声波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。密度弹性率声速＝在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为横表面横纵＝＝－＝cGcGEcEc9.09.0)1(21)21)(1(1E—杨氏模量；—泊松比；G—剪切弹性模量。3、超声波的反射和折射当波速一致时入射波′界面介质1介质2反射波折射波'＝（2）折射定律21sinsinccc1—入射声波速；c2—折射声波速（1）反射定律4、声波的衰减超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为xxeIIePP200P0、I0—声波在x=0处的声压和声强；P、I—声波在x处的声压和声强；—衰减系数。•应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆的浓度等。二、超声波传感器的原理定义：能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器or超声波探头。应用范围：超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。特点：精度高，被测物体不受影响。超声波传感器由发送器和接收器两部分组成，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。市售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器(接收器)既可发送超声波(接收超声波)，又可接收超声波(发送超声波)。市售超声波传感器的谐振频率(中心频率)为23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。超声波传感器利用压电效应的原理，压电效应有逆压电效应和正压电效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用逆压电效应的原理。所谓逆压电效应就是在压电元件上施加电压，元件就变形，即应变；正压电效应就是压电元件沿一定方向受力后，发生变形，在两表面产生符号相反的电荷。如图所示是超声波传感器结构示例。它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，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部分支撑着，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，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，高效应地产生高频电压。如图所示是采用双晶振子的超声波传感器的工作原理示意图。若在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施加40kHz的同频电压，压电陶瓷片a、b就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就发送40kHz频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，送给超声波接收器就被其接收。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的指定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。如图所示接收器中也有与上图所示结构相同的双晶振子，若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行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压非常小，要用放大器进行放大。分类•结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头•工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式三、超声波传感器的基本电路3.1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。如图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。如图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。（a）基本型自激型晶体管振荡电路如图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）振荡可控型自激型晶体管振荡电路图是自激型运算放大器振荡放大电路，元件清单如表所示。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。2.他激型驱动电路如图为使用时基电路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。使用时基电路555的他激型振荡电路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。超声波传感器的接收电路1.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1V左右；最小时约为1mV左右。为了将该电压放大到后续电路易于处理的电压，增益至少也应当达到100倍以上。图为使用运算放大器的放大电路，元件清单如表所示。使用运算放大器的电路（100倍增益）频率高达40kHz，因此运算放大器必须是高速型的。而对于精度和失真度的要求却比较宽容，所以只需要通用型的TL080系列和LF356、LF357、MC34080系列即可。如果增益不足，可以不由U1A直接输出，而是再增加一级放大器；而且这时每一级放大器的增益也可以降低到100以下。名称图中代号型号备注运算放大器U1AMC34082FET输入，两只装超声波传感器MA40A3R谐振频率40kHz电阻R1~R25%，1/4W碳膜电阻器电容C110%，50V陶瓷电容器使用比较器的接收电路图为使用比较器集成电路LM933的接收电路，元件清单如表所示。使用比较器集成电路的放大电路名称图中代号型号备注比较器U1LM393超声波传感器MA40A3R谐振频率40kHz电阻R1~R35%，1/4W碳膜电阻器比较器和运算放大器一样不进行相位补偿，因此也可以像运算放大器那样高速运行。但是，如果将它作为放大器使用，就容易产生自激振荡，因此这里还仅仅把它作为比较器使用，为此，其输出就只取+5V或者-5V两个值。由于其本身属于数字输出，因此使用起来反倒很容易。另外为了避免噪声，可以通过正反馈的方式给它一个很小的、约±1mV的滞后电压。四、超声波传感器的应用1、超声波测厚脉冲回波法：续：超声波测厚主控制器脉冲发送电路接收电路探头标准振荡电路计数电路2、液位测量h超声波物位传感器检测框图通过测量发射和接收信号之间的时间差测距离。液位计3、超声波探伤•穿透法探伤：穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。•反射法探伤：反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。（1）穿透法探伤•优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。•缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。穿透法探伤原理（2）一次脉冲反射法一次脉冲反射法探伤原理（3）多次脉冲反射法多次脉冲反射法探伤原理4、超声流量计•理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关。•特点：超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。•工作原理：传播时间法、多普勒（效应）法；波束偏移法、相关法等。在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2）。其中（F1，T1）的超声波是顺流传播的，而（F2，T2）的超声波是逆流传播的。根据这两束超声波在液体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差t、相位差φ或频率差f等方法，可测量出流体的平均速度及流量。超声波流量传感器工作原理传播时间法电路传感器1传感器2LvB2B2超声波测流量原理图超声波传感器安装位置C——超声在流体中的速度；V——流体的平均流速。传感器1传感器2vDθ（1）时差法测流量（2）相位差法测流量（3）频率法测流量•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。如果超声波在工件中的声速υ是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度为•δ=υt/2超声波测厚