第5章(A-1)超聲波傳感器

第5章（A-1）超聲波傳感器主要內(nèi)容一、超聲波簡(jiǎn)介二、超聲波的產(chǎn)生三、超聲波的特點(diǎn)四、超聲波的作用五、超聲波傳感器六、超聲波傳感器應(yīng)用案例主要內(nèi)容一、超聲波簡(jiǎn)介二、超聲波的產(chǎn)生三、超聲波的特點(diǎn)四、超聲波的作用五、超聲波傳感器六、超聲波傳感器應(yīng)用案例當(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)稱(chēng)為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟?lèi)耳朵能聽(tīng)到的聲波頻率為20～20，000赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。超過(guò)20KHZ稱(chēng)為超聲波，低于20KHZ稱(chēng)為次聲波，常用的超聲波頻率是幾十KHZ到幾十MHZ。主要內(nèi)容一、超聲波簡(jiǎn)介二、超聲波的產(chǎn)生三、超聲波的特點(diǎn)四、超聲波的作用五、超聲波傳感器六、超聲波傳感器應(yīng)用案例聲波是物體機(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)通過(guò)空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。主要內(nèi)容一、超聲波簡(jiǎn)介二、超聲波的產(chǎn)生三、超聲波的特點(diǎn)四、超聲波的作用五、超聲波傳感器六、超聲波傳感器應(yīng)用案例1）超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。2）超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。3）超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。4）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。主要內(nèi)容一、超聲波簡(jiǎn)介二、超聲波的產(chǎn)生三、超聲波的特點(diǎn)四、超聲波的作用五、超聲波傳感器六、超聲波傳感器應(yīng)用案例利用反射、折射、衍射、散射發(fā)射一定頻率的超聲波,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(lái),其所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)短與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān),測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距長(zhǎng)。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(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波檢測(cè)不受光線(xiàn)、電磁波、粉塵等的干擾,其測(cè)量精度較高。也常用于橋梁、涵洞、隧道的距離檢測(cè)中利用反射、折射、衍射、散射將超聲波發(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，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。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程度也就不同，醫(yī)生們正是通過(guò)儀器所反映出的波型、曲線(xiàn)，或影象的特征來(lái)辨別它們。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。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A型、B型、M型及D型四大類(lèi)。A型：是以波形來(lái)顯示組織特征的方法，主要用于測(cè)量器官的徑線(xiàn)，以判定其大小。可用來(lái)鑒別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。B型：用平面圖形的形式來(lái)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)變?yōu)閺?qiáng)弱不同的光點(diǎn)，這些光點(diǎn)可通過(guò)熒光屏顯現(xiàn)出來(lái)，這種方法直觀(guān)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、消化及心血管等系統(tǒng)疾病的診斷。M型：是用于觀(guān)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(xiàn)的動(dòng)態(tài)改變稱(chēng)為超聲心動(dòng)圖，可以用來(lái)觀(guān)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，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。D型：是專(zhuān)門(mén)用來(lái)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(chēng)為多普勒超聲診斷法?？纱_定血管是否通暢、管腔有否狹窄、閉塞以及病變部位。新一代的D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(lái)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?，F(xiàn)在還有立體超聲顯象、超聲CT、超聲內(nèi)窺鏡等超聲技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來(lái)，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，將更好地造福于人類(lèi)。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。理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比,超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高,因而能量很大。利用能量特性在我國(guó)北方干燥的冬季,如果把超聲波通入水罐中,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),就可以增加室內(nèi)空氣濕度.這就是超聲波加濕器的原理。咽喉炎.氣管炎等疾病,利用加濕器的原理,把藥液霧化,讓病人吸入,能夠提高療效。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)到治愈的目的。利用能量特性利用空化作用當(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(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱(chēng)為超聲波的空化作用。利用空化作用清洗的超聲波應(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(guò)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密相間的向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)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?chē)a(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的。主要內(nèi)容一、超聲波簡(jiǎn)介二、超聲波的產(chǎn)生三、超聲波的特點(diǎn)四、超聲波的作用五、超聲波傳感器六、超聲波傳感器應(yīng)用案例超聲波傳感器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式，一類(lèi)是用機(jī)械方式。電氣方式主要是由壓電晶體構(gòu)成（鋯鈦鉛酸PZT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，因而用途也各不相同。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。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(lái)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。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。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。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(lái)實(shí)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、厚度、缺陷等）的測(cè)定。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，繞射，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)，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括:（1）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的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）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，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，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。（3）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。超聲波傳感器:NU40A18TR-1超聲波傳感器:NU40A18TR-1（1）產(chǎn)品規(guī)格：防水型

（塑料殼）（2）產(chǎn)品類(lèi)型：收發(fā)一體（3）中心頻率：40±10KHz

（4）聲壓：100dB

min（5）靈敏度：-80dB

min（6）電容量：1800Pf±20%

（7）余

振：12ms

max（8）最大輸入電壓：120Vrms

（9）發(fā)射角：60°-6dB（10）工作溫度：-20°C~+70°C

（11）儲(chǔ)藏溫度：-40°C~+85°C超聲波傳感器應(yīng)用類(lèi)型有三種基本類(lèi)型，透射型用于遙控器、防盜報(bào)警器、自動(dòng)門(mén)、接近開(kāi)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。主要內(nèi)容一、超聲波簡(jiǎn)介二、超聲波的產(chǎn)生三、超聲波的特點(diǎn)四、超聲波的作用五、超聲波傳感器六、超聲波傳感器應(yīng)用案例（一）遙控開(kāi)關(guān)（二）液位指示及控制（三）超聲波測(cè)距（一）遙控開(kāi)關(guān)超聲波遙控開(kāi)關(guān)可以控制家用電器及照明燈。（一）遙控開(kāi)關(guān)發(fā)送電路如下：采用小型超聲波傳感器，工作頻率在40KHz,遙控距離紡10M。采用555時(shí)基電路組成的振蕩器，調(diào)整10K電位器，使振蕩頻率為40KHZ，傳感器接在3腳，按下按鍵時(shí)，發(fā)送出超聲波。（一）遙控開(kāi)關(guān)接收電路如下圖：（一）遙控開(kāi)關(guān)接收電路：電源由220V經(jīng)電容降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后獲得12V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）。信號(hào)由超聲波接收器接收，經(jīng)VT1、VT2放大（LC諧振在40KHZ）。放大后的信號(hào)去觸發(fā)由VT3、VT4組成的雙穩(wěn)態(tài)電路，VT5及LED作為觸發(fā)隔離，并可發(fā)光顯示。由于雙穩(wěn)態(tài)在開(kāi)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。要讓負(fù)載斷路，須再按一次發(fā)送。（二）液位指示及控制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(lái)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，則信號(hào)就小。發(fā)射電路與遙控器的發(fā)送電路一樣。（二）液位指示及控制接收電路:接收到的信號(hào)經(jīng)VT1、VT2放大，經(jīng)過(guò)VD1、VD2整流成直流電壓。當(dāng)4.7K上的電壓超過(guò)VT3的導(dǎo)通電壓時(shí)，有電流流過(guò)VT3，電流表有指示。電流大小與液面有關(guān)。（二）液位指示及控制液面控制電路：當(dāng)液位低于設(shè)置值時(shí)，比較器輸出為低電平，VT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，VT導(dǎo)通，J吸合，可通過(guò)電磁閥將輸液開(kāi)關(guān)關(guān)閉，以達(dá)到控制的目的（高位控制）（三）超聲波測(cè)距1、超聲波測(cè)距原理超聲波發(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(kāi)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(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。（三）超聲波測(cè)距1、超聲波測(cè)距原理超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2式中s為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；340為超聲波在空氣中的傳播速度；t/2為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(t/2為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。（三）超聲波測(cè)距1、超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車(chē)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)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)。通過(guò)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。（三）超聲波測(cè)距2、超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作案例A（三）超聲波測(cè)距-----制作案例A（1）功能描述超聲波測(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。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。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，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(chē)操作的同時(shí)，可方便獲得車(chē)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(guān)察車(chē)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(kāi)各部分可獨(dú)力分解裝配，安裝在汽車(chē)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)確地分清汽車(chē)與后方障礙物的距離。（2）系統(tǒng)框圖總硬件電路大體分7個(gè)部分：1.核心電路；2.信號(hào)放大電路；3.鍵盤(pán)電路；4.顯示電路；5.復(fù)位電路；6.晶振電路；7.電源電路。核心電路選用的是（MC68HC908JL3）型號(hào)的單片機(jī)，其有28個(gè)腳；顯示電路數(shù)碼管選用七段共陽(yáng)極數(shù)碼管（HT-CSR）;數(shù)碼管限流電阻選用1k炭膜電阻，鍵盤(pán)電路選用3個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)代替；信號(hào)放大電路選用NE5532運(yùn)放集成芯片。整個(gè)硬件電路除了電源部分外，全部焊接在一塊電路板上。（三）超聲波測(cè)距-----制作案例A單片機(jī)MC68HC908JL3電源電路鍵盤(pán)晶振電路放大電路顯示電路復(fù)位電路（三）超聲波測(cè)距-----制作案例A（3）電源電路是常用的線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源，由變壓器，1個(gè)整流橋集成塊，2個(gè)0.1UF電容及1個(gè)1000UF/25V和一個(gè)470UF/25V的電解電容，一個(gè)三端集成穩(wěn)壓器7805組成。工作原理：從變壓器出來(lái)的9V交流電壓送入整流橋集成塊組成的橋式整流電路,進(jìn)行整流，整流過(guò)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7805進(jìn)行穩(wěn)壓，這樣7805輸出端就輸出了5V穩(wěn)定的電壓，再進(jìn)行高低頻濾波輸出。（三）超聲波測(cè)距-----制作案例A（三）超聲波測(cè)距-----制作案例A（三）超聲波測(cè)距-----制作案例AMC68HC908JL3的28號(hào)管腳是芯片的復(fù)位管腳，低電平有效，即該管腳上輸入低電平是將引起單片機(jī)的強(qiáng)制復(fù)位。是MC68HC908JL3最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路圖，當(dāng)按鍵S4斷開(kāi)時(shí)，輸入信號(hào)為高電平，當(dāng)S4被按下時(shí)，輸入信號(hào)為迅速拉低，成為低電平，復(fù)位有效。（三）超聲波測(cè)距-----制作案例A采用了5V的交流蜂鳴器，輸出信號(hào)通過(guò)NPN型三極管9014進(jìn)行電流信號(hào)的放大，三極管采用共射極接法，蜂鳴器接在集電極，這樣可以避免當(dāng)三極管截止時(shí)方向漏電流引起的沙沙聲，當(dāng)采用PNP的三極管時(shí)，蜂鳴器則應(yīng)該接在發(fā)射極。（三）超聲波測(cè)距-----制作案例A注：NPN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1μA以下；PNP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，一般在100μA左右，少數(shù)低功耗的甚至達(dá)到1mA。（三）超聲波測(cè)距-----制作案例A輸出顯示電路部分采用7段4位共陽(yáng)極數(shù)碼管（三）超聲波測(cè)距-----制作案例A本設(shè)計(jì)的鍵盤(pán)電路如下圖所示，因?yàn)锳口內(nèi)部設(shè)置上拉，當(dāng)無(wú)按鍵按下時(shí)PTA1、PTA2、PTA3的每一個(gè)腳都為高電平，這時(shí)單片機(jī)將反復(fù)查詢(xún),當(dāng)查詢(xún)到的確有鍵按下時(shí)，該口就被拉為低電平，再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理控制相應(yīng)的操作。（三）超聲波測(cè)距---