4-超聲波傳感器的特性

1、超聲波傳感器的原理與應(yīng)用超聲波傳感器的特性超聲波的特征壓電式超聲波傳感器的基本工作原理超聲波傳感器的特性超聲波傳感器測(cè)距的基本原理實(shí)訓(xùn)1：超聲波傳感器的特性測(cè)試超聲波的特征什么是超聲波？ 人耳可聽(tīng)到的聲音頻率為20 Hz20 kHz之間。人耳聽(tīng)不到的聲波：當(dāng)頻率高于20 kHz的稱為超聲波； 頻率低于20Hz的稱為次聲波。超聲波的特征： 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，就越接近光學(xué)的反射、折射等特性。因此可利用上述性質(zhì)制成超聲波傳感器。 超聲波在空氣中傳播速度較慢，為340m/s，因此超聲波傳感器的使用變得非常簡(jiǎn)單。超聲波的波動(dòng)模式當(dāng)聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同時(shí)，聲波的波型也

2、不同。通常有： 縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播； 橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播； 表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?壓電式超聲波傳感器的基本工作原理 超聲波傳感器按原理劃分有壓電式、 磁致伸縮式、 電磁式等等， 其中壓電式最常用，我們以壓電式為代表重點(diǎn)介紹。 人們利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成壓電式超聲波傳感器（由發(fā)送器和接收器構(gòu)成）。 壓電效應(yīng)有正向壓電效應(yīng)和逆向壓電效應(yīng)。 超聲波傳感器是可逆元件。 超聲波發(fā)送器是利用逆向壓電效應(yīng)制成即在壓

3、電元件上施加電壓，元件就變形（也稱應(yīng)變）引起空氣振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波一疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。 而超聲波接收器是利用正向壓電效應(yīng)制成即接收到的超聲波促使接收器的振子隨著相應(yīng)頻率進(jìn)行振動(dòng)，由于存在正向壓電效應(yīng)，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓。 當(dāng)然這種電壓非常小，必須采用放大器進(jìn)行放大?；p壓電陶瓷晶片錐形振子屏蔽柵外殼空氣中用超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 如右圖所示，采用雙壓電陶瓷晶片結(jié)構(gòu)。將雙壓電陶瓷晶片固定安裝在基座上，為了增強(qiáng)其效果，在壓電晶片上面加裝了錐形振子，最后將其裝在金屬殼體中并伸出兩根引線。 發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)

4、，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。超聲波傳感器的選型 一般市售的超聲波傳感器有專用型和兼用型兩種：專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。 超聲波傳感器的諧振頻率（即壓電元件的中心頻率）為23KHz、40KHz 、75KHz、 200KHz、400KHz 等。因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵袀鞑r(shí)衰減很大，衰減的程度與頻率成正比，但是諧振頻率越高則分辨率也會(huì)越高，則檢測(cè)距離變短，所以短距離測(cè)量時(shí)一般選頻率高的傳感器（100KHZ以上），長(zhǎng)距離測(cè)距只能選頻率低的傳感器。 超聲波傳感器的特性 現(xiàn)以專用

5、的在空氣中傳播的成對(duì)配套使用的超聲發(fā)射器與接收器為例來(lái)介紹： 通常發(fā)送傳感器工作于輸出最大的串聯(lián)諧振頻率，而接收傳感器工作于接收靈敏度最高的并聯(lián)諧振頻率；通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，發(fā)送傳感器的串聯(lián)諧振頻率與接收傳感器的并聯(lián)諧振頻率幾乎一致。 因此超聲波傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，都是在諧振頻率附近使用。超聲波接收頭必須采用與發(fā)射頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是諧振頻率要一致，否則將因無(wú)法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無(wú)法接收。 另外，超聲波傳感器具有高阻特性，驅(qū)動(dòng)電流小，要求驅(qū)動(dòng)電壓較高，是電壓驅(qū)動(dòng)型傳感器。 超聲波傳感器的特性 本系統(tǒng)所使用的發(fā)射器和接收器是以中心頻率（或諧振頻率）和直徑為參數(shù)來(lái)劃分：其型號(hào)為TCT40-

6、16T和TCT40-16R，其中40表示傳感器工作的中心頻率（或諧振頻率）為40kHz，16表示傳感器的外形直徑為16mm，在發(fā)射頭和接收頭上，我們會(huì)看到T和R字樣，就是分別對(duì)應(yīng)發(fā)射器和接收器。 TCT40-16T發(fā)射頭一般來(lái)講工作電壓可以到100V左右； 所發(fā)射的超聲波采用固定的中心頻率（或諧振頻率）為40kHz的波形驅(qū)動(dòng)，且占空比要求為50%；兩個(gè)引腳沒(méi)有正負(fù)（因?yàn)槭墙涣黩?qū)動(dòng)發(fā)射），真要分個(gè)正負(fù)的話就把有接外殼的那個(gè)腳接到應(yīng)用電路的地（這樣輸出信號(hào)是對(duì)地的）。 這種傳感器的帶寬較窄、具有單峰特性，即在中心頻率處?kù)`敏度最高，輸出信號(hào)幅度最大，也幾乎在這個(gè)頻點(diǎn)，接收器的接收靈敏度最高， 而在中

7、心頻率兩側(cè)則迅速衰減。 超聲波傳感器的常用檢測(cè)方式穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式 當(dāng)物體在發(fā)射器與接收器之間通過(guò)時(shí)，檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況，從而判斷有無(wú)物體通過(guò)。這種檢測(cè)方式除一般物體外，還可以檢測(cè)透明體。反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式 當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測(cè)物體時(shí)，僅檢測(cè)設(shè)定距離內(nèi)物體放射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無(wú)物體通過(guò)。 當(dāng)被檢測(cè)物體的檢測(cè)面是平面時(shí)，可檢測(cè)透明體。 當(dāng)被檢測(cè)物體相對(duì)傳感器的檢測(cè)面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測(cè)到被測(cè)物體。 實(shí)訓(xùn)1：超聲波傳感器的特性測(cè)試實(shí)訓(xùn)目的：掌握超聲波測(cè)距傳感器學(xué)會(huì)基本的測(cè)試使用方法。了解超聲波傳感器的幅頻特性，確定其此超聲波傳感器的中心頻率（

8、或諧振頻率）實(shí)訓(xùn)條件： TCT40-16T/R超聲波傳感器一套、信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)、示波器一臺(tái)，直尺一把 實(shí)訓(xùn)1：超聲波傳感器的特性測(cè)試實(shí)訓(xùn)方法：一、設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境：步驟1：調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出方波信號(hào)，其峰峰值可在2V10V范圍調(diào)整，頻率可在30K49K范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)整，要求通過(guò)示波器確認(rèn)信號(hào)幅度及頻率輸出情況。步驟2：將方波信號(hào)輸出端子接到超聲波傳感器發(fā)射頭的兩個(gè)輸入引腳，將示波器的接地端子和信號(hào)端子分別連接超聲波傳感器接收頭的兩個(gè)輸出引腳。步驟3：固定發(fā)射頭與接收頭的間距為10cm，并將發(fā)射頭對(duì)準(zhǔn)接收頭，準(zhǔn)備測(cè)試接收頭接收到的同頻信號(hào)電壓。實(shí)訓(xùn)1：超聲波傳感器的特性測(cè)試信號(hào)發(fā)生器示波器發(fā)射頭接收

9、頭TR探頭實(shí)訓(xùn)1：超聲波傳感器的特性測(cè)試二、測(cè)試超聲波傳感器的幅頻特性：步驟1：調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出方波信號(hào)的峰峰值為10V，本測(cè)試要保證輸出幅度恒定的情況下進(jìn)行。步驟2：調(diào)節(jié)方波信號(hào)的頻率，使其在30K49K范圍內(nèi)變化，用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號(hào)波形，記下的值。請(qǐng)按照如下表格設(shè)置的頻率數(shù)據(jù)要求進(jìn)行測(cè)試，總計(jì)測(cè)試30對(duì)數(shù)據(jù)。注意：要求測(cè)試每對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)，要求先用示波器準(zhǔn)確調(diào)試信號(hào)發(fā)生器輸出的方波信號(hào)后，再驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭，測(cè)試接收頭產(chǎn)生的同頻信號(hào)電壓。實(shí)訓(xùn)作業(yè)1：分析30對(duì)記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出f 關(guān)系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特性結(jié)論。并確定其中心頻率。實(shí)訓(xùn)1：超聲波傳感器的特性測(cè)試表1：測(cè)試超聲波傳感器的幅頻特性實(shí)訓(xùn)1：超聲波傳感器的特性測(cè)試三、在中心頻率下測(cè)試超聲波傳感器的傳輸特性：步驟1：調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出方波的頻率為中心頻率，本測(cè)試要求保證在中心頻率下進(jìn)行測(cè)定。步驟2：調(diào)節(jié)方波信號(hào)的幅度，使其峰峰值在2V12V范圍內(nèi)變化，設(shè)置輸入不同峰峰值的方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭，用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號(hào)波形，記下的值，研究驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度變化對(duì)超聲波傳感器傳輸特性的影響。 要求在2V12V范圍內(nèi)按照如下表格設(shè)置的值測(cè)試輸出信號(hào)值，總計(jì)