第5章(A-1)超聲波傳感器

1、第第5章（章（A-1）超聲波傳感）超聲波傳感器器主要內(nèi)容主要內(nèi)容n一、超聲波簡(jiǎn)介一、超聲波簡(jiǎn)介n二、超聲波的產(chǎn)生二、超聲波的產(chǎn)生n三、超聲波的特點(diǎn)三、超聲波的特點(diǎn)n四、超聲波的作用四、超聲波的作用n五、超聲波傳感器五、超聲波傳感器n六、超聲波傳感器應(yīng)用案例六、超聲波傳感器應(yīng)用案例主要內(nèi)容主要內(nèi)容n一、超聲波簡(jiǎn)介一、超聲波簡(jiǎn)介n二、超聲波的產(chǎn)生二、超聲波的產(chǎn)生n三、超聲波的特點(diǎn)三、超聲波的特點(diǎn)n四、超聲波的作用四、超聲波的作用n五、超聲波傳感器五、超聲波傳感器n六、超聲波傳感器應(yīng)用案例六、超聲波傳感器應(yīng)用案例n當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音。科學(xué)家們將每當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音。科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)

2、稱為聲音的頻率，它的單秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為率為2020，000赫茲。赫茲。n當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽不見了。赫茲時(shí)，我們便聽不見了。n超過超過20KHZ稱為超聲波，低于稱為超聲波，低于20KHZ稱為稱為次聲波，常用的超聲波頻率是幾十次聲波，常用的超聲波頻率是幾十KHZ到到幾十幾十MHZ。主要內(nèi)容主要內(nèi)容n一、超聲波簡(jiǎn)介一、超聲波簡(jiǎn)介n二、超聲波的產(chǎn)生二、超聲波的產(chǎn)生n三、超聲波的特點(diǎn)三、超聲波的特點(diǎn)n四、超聲波的作用四、超聲波的作用n五、

3、超聲波傳感器五、超聲波傳感器n六、超聲波傳感器應(yīng)用案例六、超聲波傳感器應(yīng)用案例n聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。譬如，鼓面衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。波。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容n一、超聲波簡(jiǎn)介一、超聲波簡(jiǎn)介n二、超聲波的產(chǎn)生二、超聲波的產(chǎn)生n三、超聲波的特點(diǎn)三、超聲波的特點(diǎn)n四、超聲波的作用四、超聲波的作用n

4、五、超聲波傳感器五、超聲波傳感器n六、超聲波傳感器應(yīng)用案例六、超聲波傳感器應(yīng)用案例n1） 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。等介質(zhì)中有效傳播。 n2） 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 n3） 超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 n4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容n一、超聲波簡(jiǎn)介一、超聲波簡(jiǎn)介n二、超聲波的產(chǎn)生二、超聲波的產(chǎn)生n三、超聲波的特點(diǎn)三、超聲波的特點(diǎn)n四、超

5、聲波的作用四、超聲波的作用n五、超聲波傳感器五、超聲波傳感器n六、超聲波傳感器應(yīng)用案例六、超聲波傳感器應(yīng)用案例利用反射、折射、衍射、散射利用反射、折射、衍射、散射n發(fā)射一定頻率的超聲波發(fā)射一定頻率的超聲波,借助空氣媒質(zhì)傳播借助空氣媒質(zhì)傳播,到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來,其所經(jīng)其所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)短與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近歷的時(shí)間長(zhǎng)短與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)有關(guān),測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距長(zhǎng)。測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距長(zhǎng)。n超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。n超聲

6、波檢測(cè)不受光線、電磁波、粉塵等的超聲波檢測(cè)不受光線、電磁波、粉塵等的干擾干擾,其測(cè)量精度較高。也常用于橋梁、涵其測(cè)量精度較高。也常用于橋梁、涵洞、隧道的距離檢測(cè)中洞、隧道的距離檢測(cè)中利用反射、折射、衍射、散射利用反射、折射、衍射、散射n將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射及折射，并且在人體組界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減?？椫锌赡鼙晃斩p。n因?yàn)槿梭w各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同因?yàn)槿梭w各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀

7、器所反程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線，或影象的特征來辨別映出的波型、曲線，或影象的特征來辨別它們。它們。n此外再結(jié)合解剖學(xué)知識(shí)、正常與病理的改此外再結(jié)合解剖學(xué)知識(shí)、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。變，便可診斷所檢查的器官是否有病。n目前，醫(yī)生們應(yīng)用的超聲診斷方法有不同的形式，目前，醫(yī)生們應(yīng)用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為可分為A型、型、B型、型、M型及型及D型四大類。型四大類。nA型：是以波形來顯示組織特征的方法，主要用型：是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測(cè)量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕龛b別于測(cè)量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕龛b別病變組織的

8、一些物理特性，如實(shí)質(zhì)性、液體或是病變組織的一些物理特性，如實(shí)質(zhì)性、液體或是氣體是否存在等。氣體是否存在等。nB型：用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具型：用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。檢查時(shí)，首先將人體界面的反射信號(hào)轉(zhuǎn)體情況。檢查時(shí)，首先將人體界面的反射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)弱不同的光點(diǎn)，這些光點(diǎn)可通過熒光屏顯變?yōu)閺?qiáng)弱不同的光點(diǎn)，這些光點(diǎn)可通過熒光屏顯現(xiàn)出來，這種方法直觀性好，重復(fù)性強(qiáng)，可供前現(xiàn)出來，這種方法直觀性好，重復(fù)性強(qiáng)，可供前后對(duì)比，所以廣泛用于婦產(chǎn)科、泌尿、消化及心后對(duì)比，所以廣泛用于婦產(chǎn)科、泌尿、消化及心血管等系統(tǒng)疾病的診斷。血管等系統(tǒng)疾病的診斷。nM型：是用于觀察活動(dòng)界面時(shí)間

9、變化的一種方法。型：是用于觀察活動(dòng)界面時(shí)間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的活動(dòng)情況，其曲線的動(dòng)態(tài)改最適用于檢查心臟的活動(dòng)情況，其曲線的動(dòng)態(tài)改變稱為超聲心動(dòng)圖，可以用來觀察心臟各層結(jié)構(gòu)變稱為超聲心動(dòng)圖，可以用來觀察心臟各層結(jié)構(gòu)的位置、活動(dòng)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的狀況等，多用于輔助的位置、活動(dòng)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的狀況等，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。心臟及大血管疫病的診斷。nD型：是專門用來檢測(cè)血液流動(dòng)和器官活動(dòng)的一型：是專門用來檢測(cè)血液流動(dòng)和器官活動(dòng)的一種超聲診斷方法，又稱為多普勒超聲診斷法?？煞N超聲診斷方法，又稱為多普勒超聲診斷法?？纱_定血管是否通暢、管腔有否狹窄、閉塞以及病確定血管是否通暢、管腔有否狹窄、

10、閉塞以及病變部位。新一代的變部位。新一代的D型超聲波還能定量地測(cè)定管型超聲波還能定量地測(cè)定管腔內(nèi)血液的流量。近幾年來科學(xué)家又發(fā)展了彩色腔內(nèi)血液的流量。近幾年來科學(xué)家又發(fā)展了彩色編碼多普勒系統(tǒng)，可在超聲心動(dòng)圖解剖標(biāo)志的指編碼多普勒系統(tǒng)，可在超聲心動(dòng)圖解剖標(biāo)志的指示下，以不同顏色顯示血流的方向，色澤的深淺示下，以不同顏色顯示血流的方向，色澤的深淺代表血流的流速。代表血流的流速。n現(xiàn)在還有立體超聲顯象、超聲現(xiàn)在還有立體超聲顯象、超聲CT、超聲內(nèi)窺、超聲內(nèi)窺鏡等超聲技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，并且還可以與其鏡等超聲技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，并且還可以與其他檢查儀器結(jié)合使用，使疾病的診斷準(zhǔn)確率大他檢查儀器結(jié)合使用，使疾病

11、的診斷準(zhǔn)確率大大提高。超聲波技術(shù)正在醫(yī)學(xué)界發(fā)揮著巨大的大提高。超聲波技術(shù)正在醫(yī)學(xué)界發(fā)揮著巨大的作用，隨著科學(xué)的進(jìn)步，它將更加完善，將更作用，隨著科學(xué)的進(jìn)步，它將更加完善，將更好地造福于人類。好地造福于人類。n當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。n理論研究表明理論研究表明,在振幅相同的條件下在振幅相同的條件下,一個(gè)物體一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比,超聲波在介質(zhì)中超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高,因而能量很因而能量很大。大。利用能量特性利用能量

12、特性n在我國(guó)北方干燥的冬季在我國(guó)北方干燥的冬季,如果把超聲波通入水罐如果把超聲波通入水罐中中,劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴,再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi),就可以增加室內(nèi)空就可以增加室內(nèi)空氣濕度氣濕度.這就是超聲波加濕器的原理。這就是超聲波加濕器的原理。n咽喉炎咽喉炎.氣管炎等疾病氣管炎等疾病, 利用加濕器的原理利用加濕器的原理,把藥把藥液霧化液霧化,讓病人吸入讓病人吸入,能夠提高療效。能夠提高療效。n利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎，從而減緩病痛，達(dá)做劇烈的

13、受迫振動(dòng)而破碎，從而減緩病痛，達(dá)到治愈的目的。到治愈的目的。 利用能量特性利用能量特性利用空化作用利用空化作用n當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體微粒的劇烈當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體微粒的劇烈振動(dòng)，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅振動(dòng)，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不然升高，起到了很好的攪拌作

14、用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。n這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。為超聲波的空化作用。利用空化作用利用空化作用n清洗的超聲波應(yīng)用原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的清洗的超聲波應(yīng)用原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩高頻振蕩信號(hào)，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)，清洗溶劑中超聲波在清洗液中疏而傳播到介質(zhì)，清洗溶劑中超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)密相間

15、的向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡（空化核）的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡（空化核）在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生泡迅速增長(zhǎng)，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力，破壞不沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力，破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中，當(dāng)團(tuán)體粒子溶性污物而使它們分散于清洗液中，當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達(dá)到清洗件表面凈化的目固體粒子即脫離

16、，從而達(dá)到清洗件表面凈化的目的。的。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容n一、超聲波簡(jiǎn)介一、超聲波簡(jiǎn)介n二、超聲波的產(chǎn)生二、超聲波的產(chǎn)生n三、超聲波的特點(diǎn)三、超聲波的特點(diǎn)n四、超聲波的作用四、超聲波的作用n五、超聲波傳感器五、超聲波傳感器n六、超聲波傳感器應(yīng)用案例六、超聲波傳感器應(yīng)用案例n超聲波傳感器可以分為兩大類：一超聲波傳感器可以分為兩大類：一 類是用類是用電氣方式，一類是用機(jī)械方式。電氣方式，一類是用機(jī)械方式。n電氣方式主要是由壓電晶體構(gòu)成（鋯鈦鉛電氣方式主要是由壓電晶體構(gòu)成（鋯鈦鉛酸酸PZT電致伸縮型、鎳鐵鋁合金磁致伸縮電致伸縮型、鎳鐵鋁合金磁致伸縮型）；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流型）；機(jī)械方式有加

17、爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。相同。n壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而傳感器，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收超聲波時(shí)，也能產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器，有的是收發(fā)一體集成的。目前較為收器，有的是收發(fā)一體集成的。目前較為常用的是電致伸縮型壓電式超聲波器件。常用的是電致伸縮型壓電式超聲

18、波器件。 n壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。n當(dāng)它的兩極外加脈沖當(dāng)它的兩極外加脈沖信信 號(hào)，其頻率等于壓號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。聲波。n如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將到超聲波時(shí)，將壓迫

19、壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。如圖所示。波接收器了。如圖所示。 n超聲檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波在媒質(zhì)中的傳播超聲檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性（聲速、衰減、反射、聲阻抗等）來實(shí)特性（聲速、衰減、反射、聲阻抗等）來實(shí)現(xiàn)對(duì)非聲學(xué)量（如密度、濃度、強(qiáng)度、彈性、現(xiàn)對(duì)非聲學(xué)量（如密度、濃度、強(qiáng)度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的測(cè)定。度、缺陷等）的測(cè)定。n它的基本原理是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)它的基本原理是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到不同的界面，將產(chǎn)生反射，折射，繞

20、射，遇到不同的界面，將產(chǎn)生反射，折射，繞射，衰減等現(xiàn)象，從而使傳播的聲時(shí)，振幅，波衰減等現(xiàn)象，從而使傳播的聲時(shí)，振幅，波形，頻率等發(fā)生相應(yīng)變化，測(cè)定這些規(guī)律的形，頻率等發(fā)生相應(yīng)變化，測(cè)定這些規(guī)律的變化，便可得到材料的某些性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造變化，便可得到材料的某些性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造情況。與傳統(tǒng)超聲技術(shù)完全不同，新的超聲情況。與傳統(tǒng)超聲技術(shù)完全不同，新的超聲技術(shù)具有以下特點(diǎn)：在不破壞媒質(zhì)特性的情技術(shù)具有以下特點(diǎn)：在不破壞媒質(zhì)特性的情況下實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，況下實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量?？蓪?shí)現(xiàn)在線測(cè)量。 n超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括:n

21、（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。也最高。n（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。單

22、獨(dú)的制冷設(shè)備。n（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。超聲波傳感器超聲波傳感器: NU40A18TR-1 超聲波傳感器超聲波傳感器: NU40A18TR-1 n（1） 產(chǎn)品規(guī)格：防水型產(chǎn)品規(guī)格：防水型 （塑料殼）（塑料殼）n（2） 產(chǎn)品類型：收發(fā)一體產(chǎn)品類型：收發(fā)一體n（3） 中心頻率：中心頻率：4010KHz n（4） 聲壓：聲壓：100dB minn（5） 靈敏度：靈敏度：-80dB minn（6） 電容量：電容量：1800Pf20% n（7） 余余 振：振：12ms ma

23、xn（8） 最大輸入電壓：最大輸入電壓：120Vrms n（9） 發(fā)射角：發(fā)射角：60-6dBn（10） 工作溫度：工作溫度：-20C+70C n（11） 儲(chǔ)藏溫度：儲(chǔ)藏溫度：-40C+85C 超聲波傳感器應(yīng)用類型超聲波傳感器應(yīng)用類型n有三種基本類型，透射型用于遙控器、防盜報(bào)警有三種基本類型，透射型用于遙控器、防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚。距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚。主要內(nèi)容主要內(nèi)容n一、超聲波簡(jiǎn)介一、超聲波簡(jiǎn)介n二、超聲波的產(chǎn)生二、超聲波的產(chǎn)生n三、超聲波的特點(diǎn)三、超聲波的特

24、點(diǎn)n四、超聲波的作用四、超聲波的作用n五、超聲波傳感器五、超聲波傳感器n六、超聲波傳感器應(yīng)用案例六、超聲波傳感器應(yīng)用案例n（一）遙控開關(guān)（一）遙控開關(guān)n（二）液位指示及控制（二）液位指示及控制n（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距（一）遙控開關(guān)（一）遙控開關(guān)n超聲波遙控開關(guān)可以控制家用電器及照明超聲波遙控開關(guān)可以控制家用電器及照明燈。燈。（一）遙控開關(guān)（一）遙控開關(guān)n發(fā)送電路如下：發(fā)送電路如下：n采用小型超聲波傳感采用小型超聲波傳感器，工作頻率在器，工作頻率在40KHz,遙控距離紡遙控距離紡10M。采用。采用555時(shí)基時(shí)基電路組成的振蕩器，電路組成的振蕩器，調(diào)整調(diào)整10K電位器，使電位器，使振蕩頻

25、率為振蕩頻率為40KHZ，傳感器接在傳感器接在3腳，按腳，按下按鍵時(shí)，發(fā)送出超下按鍵時(shí)，發(fā)送出超聲波。聲波。（一）遙控開關(guān)（一）遙控開關(guān)n接收電路如下圖：接收電路如下圖：（一）遙控開關(guān)（一）遙控開關(guān)n接收電路：接收電路：n電源由電源由220V經(jīng)電容降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后獲經(jīng)電容降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后獲得得12V工作電壓。由于是非隔離電源，電路外殼封工作電壓。由于是非隔離電源，電路外殼封裝要絕緣（調(diào)試時(shí)也要注意）。裝要絕緣（調(diào)試時(shí)也要注意）。n信號(hào)由超聲波接收器接收，經(jīng)信號(hào)由超聲波接收器接收，經(jīng)VT1、VT2放大（放大（LC諧振在諧振在40KHZ）。）。n放大后的信號(hào)去觸發(fā)由放大后的信號(hào)去觸

26、發(fā)由VT3、V T4組成的雙穩(wěn)態(tài)電組成的雙穩(wěn)態(tài)電路，路，VT5及及LED作為觸發(fā)隔離，并可發(fā)光顯示。作為觸發(fā)隔離，并可發(fā)光顯示。n由于雙穩(wěn)態(tài)在開機(jī)時(shí)有隨機(jī)性，故加一清零按鍵。由于雙穩(wěn)態(tài)在開機(jī)時(shí)有隨機(jī)性，故加一清零按鍵。VT5輸出的觸發(fā)信號(hào)使雙向可控硅導(dǎo)通，負(fù)載接通。輸出的觸發(fā)信號(hào)使雙向可控硅導(dǎo)通，負(fù)載接通。要讓負(fù)載斷路，須再按一次發(fā)送。要讓負(fù)載斷路，須再按一次發(fā)送。（二）液位指示及控制（二）液位指示及控制n由于超聲波在空氣中有一定的衰減，則發(fā)送由于超聲波在空氣中有一定的衰減，則發(fā)送到液面及從液面反射回來的信號(hào)大小與液位到液面及從液面反射回來的信號(hào)大小與液位有關(guān)，液面位置越高，信號(hào)越大；液面越低

27、，有關(guān)，液面位置越高，信號(hào)越大；液面越低，則信號(hào)就小。則信號(hào)就小。發(fā)射電路發(fā)射電路與遙控器的發(fā)送電路與遙控器的發(fā)送電路一樣。一樣。（二）液位指示及控制（二）液位指示及控制n接收電路接收電路:n接收到的信號(hào)經(jīng)接收到的信號(hào)經(jīng)V T1、VT2放大，經(jīng)過放大，經(jīng)過VD1、VD2整流成直流電壓。當(dāng)整流成直流電壓。當(dāng)4.7K上的電壓超過上的電壓超過VT3的導(dǎo)通電壓時(shí)，有電流流過的導(dǎo)通電壓時(shí)，有電流流過VT3，電流表有指示。，電流表有指示。電流大小與液面有關(guān)。電流大小與液面有關(guān)。（二）液位指示及控制（二）液位指示及控制n液面控制電路：液面控制電路：當(dāng)液位低于設(shè)置值時(shí)，比較器輸當(dāng)液位低于設(shè)置值時(shí)，比較器輸出為

28、低電平，出為低電平，VT不導(dǎo)通，如果液位升到規(guī)定位不導(dǎo)通，如果液位升到規(guī)定位置，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，置，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，VT導(dǎo)通，導(dǎo)通，J吸合，吸合，可通過電磁閥將輸液開關(guān)關(guān)閉，以達(dá)到控制的目可通過電磁閥將輸液開關(guān)關(guān)閉，以達(dá)到控制的目的（高位控制）的（高位控制）（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距n1、超聲波測(cè)距原理、超聲波測(cè)距原理 n超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停接

29、收器收到反射波就立即停 止計(jì)時(shí)。止計(jì)時(shí)。（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距n1、超聲波測(cè)距原理、超聲波測(cè)距原理 n超聲波在空氣中的傳播速度為超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：，即：s=340t/2n式中式中s為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；340為超聲波在空為超聲波在空氣中的傳播速度；氣中的傳播速度；t/2為測(cè)量距離傳播的時(shí)間為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差差(t/2為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。 （三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距n1、超聲波測(cè)距原

30、理、超聲波測(cè)距原理 n 超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。 n 通過分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提通過分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用溫度傳感器高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，設(shè)計(jì)的高精度進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，設(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。 （三）超聲波

31、測(cè)距（三）超聲波測(cè)距n2、超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)、超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)n制作案例制作案例A（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例An（1）功能描述）功能描述n超聲波測(cè)距儀由主機(jī)、超聲波傳感探頭，顯示器和蜂鳴器四超聲波測(cè)距儀由主機(jī)、超聲波傳感探頭，顯示器和蜂鳴器四部分組成。部分組成。n它的設(shè)計(jì)原理與蝙蝠在黑暗里高速飛行而不會(huì)撞上障礙物的它的設(shè)計(jì)原理與蝙蝠在黑暗里高速飛行而不會(huì)撞上障礙物的原理相同。原理相同。n系統(tǒng)一般采用系統(tǒng)一般采用2個(gè)傳感探頭，它作為超聲波的發(fā)生源同時(shí)又是個(gè)傳感探頭，它作為超聲波的發(fā)生源同時(shí)又是超聲波反射回波的傳感，檢測(cè)探頭、主機(jī)控制器含有單機(jī)片，超聲波反射回波的傳感，檢

32、測(cè)探頭、主機(jī)控制器含有單機(jī)片，反射信號(hào)放大處理電路，顯示器和蜂鳴器起聲音提示作用，反射信號(hào)放大處理電路，顯示器和蜂鳴器起聲音提示作用，作為輔助裝置，當(dāng)駕駛員倒車操作的同時(shí)，可方便獲得車后作為輔助裝置，當(dāng)駕駛員倒車操作的同時(shí)，可方便獲得車后空間情況信息，這時(shí)聲音報(bào)警起提示作用，顯示裝置也通?？臻g情況信息，這時(shí)聲音報(bào)警起提示作用，顯示裝置也通常與后視鏡設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，這樣可使駕駛?cè)藛T從后視鏡觀察與后視鏡設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，這樣可使駕駛?cè)藛T從后視鏡觀察車后空間的同時(shí)也得到了提示數(shù)據(jù)，探頭工作電壓為車后空間的同時(shí)也得到了提示數(shù)據(jù)，探頭工作電壓為+5V，主機(jī)與探頭分開各部分可獨(dú)力分解裝配，安裝在汽車的后橋主

33、機(jī)與探頭分開各部分可獨(dú)力分解裝配，安裝在汽車的后橋保險(xiǎn)杠，數(shù)碼管顯示距離。從而可以使駕駛員準(zhǔn)確地分清汽保險(xiǎn)杠，數(shù)碼管顯示距離。從而可以使駕駛員準(zhǔn)確地分清汽車與后方障礙物的距離。車與后方障礙物的距離。 n（2）系統(tǒng)框圖）系統(tǒng)框圖n 總硬件電路大體分總硬件電路大體分7個(gè)部分：個(gè)部分：1.核心電路；核心電路；2.信號(hào)放大電路；信號(hào)放大電路；3.鍵盤電路；鍵盤電路；4.顯示電路；顯示電路；5.復(fù)位電路；復(fù)位電路；6.晶振電路；晶振電路；7.電源電路。電源電路。n 核心電路選用的是（核心電路選用的是（MC68HC908JL3）型號(hào)的單片機(jī)，其有型號(hào)的單片機(jī)，其有28個(gè)腳；顯示電路數(shù)碼個(gè)腳；顯示電路數(shù)碼管

34、選用七段共陽極數(shù)碼管（管選用七段共陽極數(shù)碼管（HT-CSR）;數(shù)碼數(shù)碼管限流電阻選用管限流電阻選用1k炭膜電阻，鍵盤電路選用炭膜電阻，鍵盤電路選用3個(gè)輕觸開關(guān)代替；信號(hào)放大電路選用個(gè)輕觸開關(guān)代替；信號(hào)放大電路選用NE5532運(yùn)放集成芯片。整個(gè)硬件電路除了運(yùn)放集成芯片。整個(gè)硬件電路除了電源部分外，全部焊接在一塊電路板上。電源部分外，全部焊接在一塊電路板上。 （三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例A單片機(jī)MC68HC908JL3電源電路鍵盤晶振電路放大電路顯示電路復(fù)位電路（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例An（3）電源電路）電源電路n是常用的線性直流穩(wěn)壓電源，由變壓器，

35、是常用的線性直流穩(wěn)壓電源，由變壓器，1個(gè)個(gè)整流橋集成塊，整流橋集成塊，2個(gè)個(gè)0.1UF電容及電容及1個(gè)個(gè)1000UF/25V和一個(gè)和一個(gè)470UF/25V的電解電容，的電解電容，一個(gè)三端集成穩(wěn)壓器一個(gè)三端集成穩(wěn)壓器7805組成。組成。n工作原理：從變壓器出來的工作原理：從變壓器出來的9V交流電壓送入交流電壓送入整流橋集成塊組成的橋式整流電路整流橋集成塊組成的橋式整流電路,進(jìn)行整流，進(jìn)行整流，整流過后再送兩個(gè)電容組成的高低頻濾波電整流過后再送兩個(gè)電容組成的高低頻濾波電路進(jìn)行濾波之后再送入路進(jìn)行濾波之后再送入7805進(jìn)行穩(wěn)壓，這樣進(jìn)行穩(wěn)壓，這樣7805輸出端就輸出了輸出端就輸出了5V穩(wěn)定的電壓，再

36、進(jìn)行穩(wěn)定的電壓，再進(jìn)行高低頻濾波輸出。高低頻濾波輸出。 （三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例A（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例A（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例AnMC68HC908JL3的的28號(hào)管腳是芯片的復(fù)位管號(hào)管腳是芯片的復(fù)位管腳，低電平有效，即該腳，低電平有效，即該管腳上輸入低電平是將管腳上輸入低電平是將引起單片機(jī)的強(qiáng)制復(fù)位。引起單片機(jī)的強(qiáng)制復(fù)位。n是是MC68HC908JL3最簡(jiǎn)最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路圖，當(dāng)按單的復(fù)位電路圖，當(dāng)按鍵鍵S4斷開時(shí)，輸入信號(hào)斷開時(shí)，輸入信號(hào)為高電平，當(dāng)為高電平，當(dāng)S4被按下被按下時(shí)，輸入信號(hào)為迅速拉時(shí)，輸入信號(hào)

37、為迅速拉低，成為低電平，復(fù)位低，成為低電平，復(fù)位有效。有效。（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例An采用了采用了5V的交流蜂鳴器，的交流蜂鳴器，輸出信號(hào)通過輸出信號(hào)通過NPN型三型三極管極管9014進(jìn)行電流信號(hào)進(jìn)行電流信號(hào)的放大，三極管采用共的放大，三極管采用共射極接法，蜂鳴器接在射極接法，蜂鳴器接在集電極，這樣可以避免集電極，這樣可以避免當(dāng)三極管截止時(shí)方向漏當(dāng)三極管截止時(shí)方向漏電流引起的沙沙聲，當(dāng)電流引起的沙沙聲，當(dāng)采用采用PNP的三極管時(shí)，的三極管時(shí)，蜂鳴器則應(yīng)該接在發(fā)射蜂鳴器則應(yīng)該接在發(fā)射極。極。（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例An注：注：NPN型三極管的集電極反向漏電流比型三極管的集電極反向漏電流比發(fā)射極的反向漏電流要小得多，一般在發(fā)射極的反向漏電流要小得多，一般在1A以下；以下；PNP型三極管的集電極反向漏型三極管的集電極反向漏電流則比發(fā)射極的反向漏電流要大得多，電流則比發(fā)射極的反向漏電流要大得多，一般在一般在100A左右，少數(shù)低功耗的甚至達(dá)左右，少數(shù)低功耗的甚至達(dá)到到1mA。（三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例An輸出顯示電路部分采用輸出顯示電路部分采用7段段4位共陽極數(shù)碼位共陽極數(shù)碼管管 （三）超聲波測(cè)距（三）超聲波測(cè)距-制作案例制作案例An本設(shè)計(jì)的鍵盤電路如下圖所示，因