傳感器與檢測技術(shù)講義第9章超聲波傳感器

9等方面，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。超聲波及其性質(zhì)超聲波的頻率范圍16Hz～20kHz，但此頻率范圍的界限與音的強度或個人聽覺有關(guān)系，所以一般人耳的感音范圍大致可繪成如9-120kHz以上的音Ultrasonicwav使10kHz1000MHz。

圖9-1 人耳感音頻率范圍根據(jù)超聲波的發(fā)射方式的不同，超聲波的種類大致上可分5類，如圖9-2所示。圖中的縱波LongitudinalWav）又稱為壓縮波CompressionWav，介質(zhì)粒子的振動與波的進行方向一致，專供強力超聲波的運用。圖所示為縱波，比起圖中的縱波，波速慢了許多，主要是因為此類縱波是在直徑較小的棒中傳輸。圖所示為橫波又稱為剪斷波波）介質(zhì)粒子的振動與垂直波的進行方向一致，常用于超聲波探勘計等的計測。圖所示為表面波又稱為。圖所示為彎曲波FlexuralWav，BendingWav，它是在棒或板的繞曲振動時出現(xiàn)的，在沿波進行方向的中心線上介質(zhì)粒子進行橫振動，接近介質(zhì)表面的粒子進行壓縮、伸張運動。

圖9-2 超聲波的種類超聲波的波速C、波長、頻率f之間的關(guān)系為C=f×9-1為超聲波在各種介質(zhì)中的波速，圖9-33.4×104cm/s1.4×105cm/s，鋁中為6.22×105cm/s，如果發(fā)射一40kHzC=為空氣中：

3.410441041.410541046.221054104

0.86cm3.5cm15.55cm縱波速度介質(zhì)密度聲音阻抗縱波速度介質(zhì)密度聲音阻抗c(×105cm/s)（g/cm3）（×105）鋁6.222.651.70鋼5.817.84.76鎳5.68.94.98鎂4.331.740.926銅4.628.934.11黃銅4.438.53.61鉛2.1311.42.73水銀1.4613.61.93玻璃4.9～5.92.5～5.91.81聚乙烯2.671.10.924電木2.591.40.363水1.431.000.143變壓器油1.390.920.128空氣0.3310.00120.000042超聲波的損失（。圖9-4所示為超聲波在各類介質(zhì)中的衰減情形，讀者在圖中將會發(fā)現(xiàn)頻率越低的超聲波衰減越小。圖9-3 空氣、水、金屬中的波長及頻率 圖9-4 超聲波的衰減超聲波的指向性9-5R可以表示為30mm1MHz的或增大R居多。超聲波的反射、透射與折射Z抗即為介質(zhì)的密度（）與音速（C）的乘積。假設(shè)現(xiàn)在將超聲波垂直地射入固有特性阻抗9-6可用下式表示：Z ZZ2 1Z2 1分反射外，其余的全部穿透過去，而超聲波的穿透率T可以用下式表示：Z Z2T121Z2 1Z2 14ZZ 1 2Z Z22 1圖9-5 超聲波的指向性 圖9-6 超聲波的反射與透射表9-2所示為各種介質(zhì)間的反射率。例如，水至空氣之間的反射率為100超聲波在水中傳播時，完全不會外泄露到空氣中。沿交界面法線入射的超聲波能量反射率（%）介質(zhì)變壓沿交界面法線入射的超聲波能量反射率（%）介質(zhì)變壓空氣水電木聚乙烯玻璃水銀鉛黃銅銅鎂鎳鋼鋁器油鋁100747242502131418924200鋼100898876773116910.34.30.20鎳1009089757934191220.8470鎂100585419272122036400銅10088877175191370.20黃銅10087866873231050鉛10080795562910水銀10076756840玻璃100676532400聚乙烯100171210電木10023180水10000變壓器油1000空氣0如圖9-7所示，在不同介質(zhì)間設(shè)厚度為L的其他介質(zhì)，傳播超聲波時，若遮斷超聲波，此時的透射率T1為4ZZ13Z13ZZ2cosKLZ213ZZ13Z2sinKL2221111222333式中，K=2f/C2，Z111222333

=C，Z

=

，Z=C

，f為超聲波的頻率。若鄰接中間介質(zhì)的左右介質(zhì)相同，即Z1Z2時，則T1可簡化為444cosKLZ22ZZ2sin KL211Z21由上式可推論得知，越增大穿透率T1，可以使中間層Z2盡量接近Z1，而且用薄板（使L越小越好）或厚度為超聲波半波長的整數(shù)倍的板。若按此要領(lǐng)設(shè)計則穿透率T1變成4Z2ZZZ2ZZ211Z21如圖9-8為折射后的波速，其關(guān)系可以用下式表示sinsin

C2iCit 1圖9-7 不同媒質(zhì)間的反射與透射 圖9-8 超聲波的折射超聲波的空洞現(xiàn)象9-9所示為空洞的發(fā)生示意圖。此洗凈等工作。

圖9-9 空洞的發(fā)生聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為PPIx 0 x

Ie2x0PIx x

為距聲源x處的聲壓和聲強；x為聲波與聲源間的距離；為衰減系數(shù)，單位Np/m（奈培/米。超聲波的干涉某些點振動始終減弱或消失，這種現(xiàn)象稱為干涉現(xiàn)象。兩個振幅相同的相干波在同一直線上彼此相向傳播時疊加而成的波稱為駐波。每相距/2的這些點上，介質(zhì)保持靜止?fàn)顟B(tài)，這些點稱為節(jié)點，節(jié)點之間對應(yīng)介質(zhì)位移最大的點稱為波腹。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍將形成一個包括最大和最小的超聲場。超聲波發(fā)生法與振動因子的設(shè)計目前較常用的超聲波發(fā)生法見表9-3。表中分機械性振動與電氣驅(qū)動兩種，在本節(jié)中將對電氣驅(qū)動式超聲波做詳細(xì)介紹。電氣驅(qū)動式超聲波依驅(qū)動原理可分為壓電式、電伸縮式、磁伸縮式3種。磁伸縮式AF合金Ferrite磁伸縮式AF合金Ferrite機械式Pohlman笛Galton笛Siren10～1005～502～1000.2～250氣體、液體、固體液體氣體、液體氣體、液體驅(qū)動方法驅(qū)動原理振動子發(fā)生周期數(shù)/kHz介質(zhì)20～30000氣體、液體、固體壓電式水晶Rochelle鹽ADP0.2～1000液體、固體電氣式電伸縮式鈦酸鋇0.2～100010～10000液體、固體液體、固體壓電式振動因子材料有3Rochelle鹽及ADAmmoniumDihydrogenPhosphate，圖9-10所9-4為各結(jié)晶體的切削角度及其電氣特性。圖9-10 壓電材料的結(jié)晶形態(tài)電介質(zhì)常數(shù)ε密度周波長常數(shù)電介質(zhì)常數(shù)ε密度周波長常數(shù)N 壓電伸縮常數(shù) 電氣機械結(jié)材料CUT振動樣式（e?s?u）（g/cm3）（kHz?cm）（mks）合系數(shù)（%）水晶×厚度2.52.652850.059.5Rochelle鹽45°×縱3001.771600.0965ADP45°×縱15.51.801600.17728電伸縮式振動因子電伸縮材料不同于水晶類壓電材料，可燒結(jié)任意形狀、尺寸的振動因子，圖9-116種電伸縮式材料常用燒結(jié)的形狀9-11所示，其形狀不同，所產(chǎn)生的信號9-5為材料特性及一般用途。圖9-11 電伸縮振動因子的振動形態(tài)鈦酸鋇鋯酸鈦酸鉛常數(shù)單位密度鈦酸鋇鋯酸鈦酸鉛常數(shù)單位密度Poisson比電介質(zhì)常數(shù)損失系數(shù)g/cm3N1N周波長系數(shù)2NkHz?cm3N4C3D77A85.47.67.67.67.80.281.320.320.320.321150450120060015000.010.030.010.010.02308250225235220288184162175164277175159160150252200206220200鈦酸鋇鋯酸鈦酸鉛鈦酸鋇鋯酸鈦酸鉛常數(shù)電氣機械結(jié)合系數(shù)楊氏系數(shù)K31K33d31d33g31g33×10dyne12電壓率×10m/V12電壓輸出系數(shù)×10Vm/N5機械性：Q居里溫度℃溫度系數(shù)周波溫度系數(shù)容量溫度系數(shù)×105/℃×103/℃400120552.0200290205.0800330202.5800320253.0500260252.8單位C3D77A8徑向Kp0.300.300.520.530.55長度方向K31cm20.180.200.300.300.33縱方向K330.480.500.600.620.681.131.030.800.930.861.120.930.770.770.706039109691321400.32231632968101012111426222527注：鈦酸鋇的周波溫度系數(shù)在0～60℃，容量溫度系數(shù)是在20～60℃測定。鋯酸鈦酸鉛分別在20～60℃和20～60℃測定。磁伸縮式振動因子alufer合金AFAL12、Fe88ferrite燒結(jié)金屬，依金屬材質(zhì)的不同，其磁伸縮率各不相同，圖9-129-6為其材料特性。圖9-12 各種形態(tài)的磁伸縮表9-6 磁伸縮材料的特性比較名稱純鎳 AluferFerrite成分Ni98%以上 Fe87%，Al合金Ni—Cu系Ferrite導(dǎo)磁系數(shù)40 19020固有電阻（cm）7×106 91×1064×102以上電氣機械結(jié)合系數(shù)（%）20～30 2022密度（g/cm3）8.9 6.75.0波速（m/s）4800 47005700靜磁伸縮飽和應(yīng)變40×106 35×10630×106最適偏移磁場（Oer）10～15 6～1010～15耐蝕性（海水中）良 稍好極佳(1)8.4×103機械強度（kg/cm3）*2×106 *1.4×106(2)4×102(3)9.8×1021））（）抗折強度綜上所述，可將壓電、電伸縮、磁伸縮各振動因子的特性做比較，見表9-7。振動原理壓電電伸縮鈦酸鋇磁伸縮振動原理壓電電伸縮鈦酸鋇磁伸縮振動子材質(zhì) 水晶 NiandAlufer Ferrite鋯酸鈦酸鉛最適使用周波數(shù)1MHz以上200kHz～2MHz50kHz以下100kHz以下電氣特性變化效率80%以上80%以上20%～25%80%以下最大電氣輸入（水中）—6W/cm26～10W/cm26W/cm2連續(xù)電氣輸入（水中）—3～6W/cm26～10W/cm23～6W/cm2超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖圖9-13 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖9-13電晶片、吸收塊（阻尼塊、保護膜組成。壓電。超聲波頻率f厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導(dǎo)電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。超聲波傳感器的基本電路超聲波傳感器的驅(qū)動電路發(fā)射用的超聲波傳感器的驅(qū)動方式有自激型與他激型之分。振特性使其在諧振頻率附近產(chǎn)生振蕩。9-14所示的是自激型晶體管振蕩電路，其中MA40A3S40kHz的超聲波傳感器。圖9-14（a）2響，具體地講就是C1C2激型晶體管振蕩電路。由于它將圖9-14（a）中的地接到了晶體管VT的集電極上，因此當(dāng)22VT截止時振蕩就會停止。2圖9-15 使用運算放大器的自激放大電路圖圖9-15 使用運算放大器的自激放大電路圖9-15所示的是自激型運算放大器振蕩放大電路，元件清單見表9-8。該電路的振蕩頻率接近串聯(lián)諧振頻率，因此效率會比自激型晶體管振蕩電路高出許多。該電路中使用的運算放大器是兩只封裝在一起的摩托羅拉公司的MC34082型集成電路。事實上轉(zhuǎn)換速度只要是在10V/s以上的運算放大器，都可以使用。名稱運算放大器電阻器電容超聲波傳感器名稱運算放大器電阻器電容超聲波傳感器圖中代號U1AR1、R2C1型號MC340825%，50VMA40A3S備注FET碳膜電阻器聚酯薄膜電容諧振頻率40kHz他激型驅(qū)動電路圖9-16555表9-9夠穩(wěn)定的缺點。圖9-16 使用時基電路555的他激型振蕩電路名稱圖中代號型號備注表名稱圖中代號型號備注定時器集成電路U1NE555電阻R3 R4、5%，1/4W碳膜電阻電阻R1 R2、2%，1/4W金屬膜電阻晶體管VT12SC181550V、0.1A以上電位器VR1單圈旋轉(zhuǎn)型碳膜電位器電容C1 C3～5%，50V聚酯薄膜電容超聲波傳感器MA40A3S40kHz555電路在10kHz50ppm/溫度特性會變差，在40kHz時變?yōu)?00～200ppm/℃。由此推算，當(dāng)溫度變化10℃時頻率的變化量約為R1、R2選用溫度系數(shù)小的金屬膜電阻器，C1選用溫度系數(shù)小的聚丙烯薄膜電容器或聚苯乙烯薄膜電容器即可。在寬帶域超聲波傳感器的情況下，因為其通頻帶較寬，所以也可以使用聚酯薄膜電容器。9-17所示為門電路驅(qū)動的電路。圖4049B6個4個用于驅(qū)動超聲波傳感器。圖4011BNAND電路實現(xiàn)振蕩控制?？刂齐妷簽楦唠娖降碗娖?049B來完成的。圖9-17 由門電路構(gòu)成的振蕩電路超聲波傳感器的接收電路使用運算放大器的接收電路超聲波傳感器接收的信號，最大時約為1V1mV。為了將該電壓放大到后續(xù)電路易于處理的電壓，增益至少也應(yīng)當(dāng)達(dá)到100倍以上。圖9-189-1040kHz，因的TL080系列和LF356、LF357、MC34080輸出，而是再增加一級放大器；而且這時每一級放大器的增益也可以降低到100以下。圖9-18使用運算放大器的電路（100倍增益）元件清單名稱圖中代號型號備注運算放大器U1AMC34082FET輸入，兩只裝超聲波傳感器MA40A3R諧振頻率40kHz電阻R、R1 25%，1/4W碳膜電阻器電容C110%，50V陶瓷電容器使用視頻放大器的接收電路圖9-19LM733的接收電路，。LM733101004001009-19中那樣使用輸出變壓器。這里也可以使用ST12輸入端的二極管和輸出端的雪崩二極管都是起保護作用的器時，可以使用運算放大器替代變壓器的方法。使用比較器的接收電路圖9-20LM933元件清單見表。比較器和運算放大器一樣不進行相位補償，因此也可以像運算放大器那樣高速運行。圖9-19使用視頻放大器LM733的放大電路（增益在200倍以上）元件清單名稱圖中代號型號備注視頻放大器U1LM733超聲波傳感器MA40A3R諧振頻率40kHz二極管VD、VD1 21S1588VD、VD3 405Z5.15.1V的雪崩二極管輸出變壓器T1ST12電阻R～R1 35%，1/4W碳膜電阻器電容C110%，50V獨石電容器圖9-20 使用比較器集成電路的放大電路名稱圖中代號型號LM393備注名稱圖中代號型號LM393備注比較器U1超聲波傳感器MA40A3R電阻R～R1 35%，1/4W40kHz碳膜電阻器+5V或5V兩個值。由于其本身屬于數(shù)字輸出，因此使用起來反倒很容易。另外，為了避免噪聲，可以通過正反饋的方式給它一個很小的（滯后電壓。超聲波傳感器的應(yīng)用空間擾動偵測器圖9-21所示為利用超聲波原理制成的空間擾動偵測器，圖440kHz40kHz諧振S1腳為低電位使U5-aR19，R18向C621腳保持在低電位，所以U5-aS12腳也為高電U5-a輸出低電位，于是C6腳電位降為低電子的輸出信號互為反相，可以增加超聲波的輸出振幅。圖為超聲波接收電路及警報電VT2及VT340kHz接收器所接收到的40kHz信號放大，40kHzU6R25、C8放大，整流出來的電壓準(zhǔn)位將下降或變?yōu)榈碗娢?，致使比較器的輸出為高電位。物體檢測計超聲波傳感器時有如下兩種檢測方式。直接檢測方式：直接檢測方式是將發(fā)射器與接收器相配置，當(dāng)能夠直接接收到對面發(fā)射來的超聲波時，或者說接收器有信號電壓輸出時，就表示沒有物體在阻擋超聲波的傳輸。反過來，當(dāng)沒有信號電壓輸出時，就是有物體阻擋住了超聲波的傳輸圖9-21 空間擾動偵測器反射檢測方式：反射檢測方式是將發(fā)射器與接收器配置在比較接近的地方，當(dāng)能夠接收到反射回來的超聲波時，或者說接收器有信號電壓輸出時，就表示有物體在反射超聲波。反射檢測方式又分為發(fā)射器與接收器是由兩個獨立的超聲波傳感器來完成的分體式，或1具有只使用1接收切換電路，存在過于靠近的距離成為無法檢測的盲區(qū)的缺點1）直接檢測式物體檢測電路9-22所示為使用直接檢測方式檢測物體1的電路，元件清單見表9-13。其中的發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動電路是使用時基電路555的他激型振蕩驅(qū)動電路?？梢詫㈩l率預(yù)設(shè)成40kHz，然后再用頻率調(diào)整電位器VR用超聲波傳感器的輸出電壓調(diào)整到最大。1用LM393制作接收電路：對于接收用的超聲波傳感器MA40A3RLM393LM393的輸出為矩形。9-22直接檢測方式的物體檢測電路表9-13 元件清單名稱圖中代號型號 備注比較器超聲波傳感器時基電路專用集成電路二極管U2AU1U3VD1VD2LM393MA40A3S/R MA40