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1、第四章 超声传感器及应用技术 梁长垠 教授 Professor Liang 第五章 超声波传感器及应用技术 教学目的： 1、了解超声波传感器的作用、分类和使用 方法； 2、熟悉常用超声波传感器的特点及应用范 围； 4、掌握常用超声波传感器的工作原理及使 用方法； 5、学会正确选用超声波传感器的方法。 教学重点： 1、超声波传感器特点与选用； 2、超声波传感器原理及接口电路设计方法。 教学难点： 1、超声波传感器工作原理； 2、超声波传感器应用电路分析与设计方法。 教学方法： 1、引导文教学法 2、引探教学法 3、头脑风暴法 第五章 超声波传感器及应用技术 问题思考： 1、超声波传感器的作用是什
2、么？ 2、常用的超声波传感器有哪些种？各自的原理 是什么? 3、何为压电效应？超声波有哪些特性? 4、超声波传感器的组成包括哪几个部分？ 5、超声波传感器的原理是什么？其应用场合有 哪些? 6、举出10种以上超声波传感器的应用场景。 第五章 超声波传感器及应用技术 第一节 超声波传感器定义与分类 超声波传感器概述 超声波传感器分类、结构与特性 第二节 超声波传感器工作原理 超声波传感器的组成 超声波传感器发射电路 超声波传感器接收电路 第三节 超声波传感器应用电路分析与训练 倒车雷达系统电路设计与调试 液位测量系统电路设计与调试 第五章 超声波传感器及应用技术 第一节 超声波传感器定义与分类
3、一、超声波传感器概述 1、声波 机械振动在媒质中的传播。 （声速、波长、频率关系 s=vt ） 1830年法 国Savart 音调极限实验：存在听不到的声音 一、超声波传感器概述 第一节 超声波传感器定义与分类 1、声波 蝙蝠的飞行本领 铁丝直径大于0.34mm 不碰撞 铁丝直径小于0.07mm 碰撞 回音定位 2、超声波是频率大于20k赫兹的声波。 第一节 超声波传感器定义与分类 一、超声波传感器概述 1、声波 第一节 超声波传感器定义与分类 一、超声波传感器概述 3、超声波的波型及其传播速度 当声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同时，声 波的波型也不同。通常有： 纵波：质点振动方向
4、与波的传播方向一致的波，它能在 固体、液体和气体介质中传播； 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固 体介质中传播； 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表 面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的 表面传播。 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。气体中纵 波声速为344 m/s 4、超声波的反射和折射 由物理学知，当波在界面上产 生反射时，入射角的正弦与反射 角的正弦之比等于波速之比。 当波在界面处产生折射时，入射角 的正弦与折射角的正弦之比， 等于入射波在第一介质中的波速c1 与折射波在第二介质中的波速c2之 比，即 第一节 超声波传感器定义与分类
5、 一、超声波传感器概述 5、超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰 减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其 声压和声强的衰减规律为 式中：Px、Ix距声源x处的声压和声强； x声波测量点与声源间的距离； 衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。 第一节 超声波传感器定义与分类 一、超声波传感器概述 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散 射和吸收。 在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散， 即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒 界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声
6、 能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒 子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。 吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造 成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传 导进行热交换，导致声能的损耗。 第一节 超声波传感器定义与分类 一、超声波传感器概述 第一节 超声波传感器定义与分类 二、超声波传感器分类、结构与特性 1、超声波传感器分类 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的 装置称为超声波传感器。也称探测器、换能器、探头。 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、 电磁式等，其中以压电式最为常用。 压电材料： 无机压
7、电材料：分为压电晶体和压电陶瓷 有机压电材料：又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（ PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜） 材料。 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷， 这种传感器统称为压电式超声波探头。 它是利用压电材料的压电效应来工作的。 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外 力的作用而变形时，其内部会产生极化现象， 同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电 荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状 态，这种现象称为正压电效应。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改 变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场 ，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电 介质的变形随
8、之消失，这种现象称为逆压电效 应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效 应研制的一类传感器称为压电传感器。 第一节 超声波传感器定义与分类 二、超声波传感器分类、结构与特性 2、超声波传感器工作基理 压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。 超声波发送器是利用逆向压电效应制成即在 压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引起 空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式传播，传 送给超声波接收器。 超声波接收器是利用正向压电效应制成即接 收到的超声波促使接收器的振子随着相应频率进行振 动，由于存在正向压电效应，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，必须采用放大器进行放 大。 第一
9、节 超声波传感器定义与分类 二、超声波传感器分类、结构与特性 2、超声波传感器工作基理 3、超声波传感器的结构 超声波探头结构如图所示，它主要 由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护 膜、引线等组成。 压电晶片多为圆板形， 厚度为。 超声波频率f与其厚度成反比。压电晶 片的两面镀有银层，作导电的极板。 阻尼块的作用：降低晶片的机械品 质， 吸收声能量。 如果没有阻尼块， 当激励的电脉冲信号停止时， 晶片将会 继续振荡， 加长超声波的脉冲宽度，使 分辨率变差。 第一节 超声波传感器定义与分类 空气中用超声波传感器的结构 如右图所示，采用双压电陶瓷 晶片结构。将双压电陶瓷晶片固定 安装在基座上，为了增
10、强其效果， 在压电晶片上面加装了锥形振子， 最后将其装在金属壳体中并伸出两 根引线。 发送超声波时，圆锥形振子有 较强的方向性，因而能高效率地发 送超声波；接收超声波时，超声波 的振动集中于振子的中心，所以能 产生高效率的高频电压。 基座 双压电陶瓷晶片 锥形振子 屏蔽栅外壳 3、超声波传感器的结构 第一节 超声波传感器定义与分类 4、超声波传感器的特性 (1) 频率特性 发送超声波 接收超声波 第一节 超声波传感器定义与分类 (2) 指向性特性 第一节 超声波传感器定义与分类 4、超声波传感器的特性 (3) 阻抗特性 阻抗 频率 并联谐振 串联谐振 第一节 超声波传感器定义与分类 4、超声波
11、传感器的特性 通常发送传感器工作于输出最大的串联谐振频率， 而接收传感器工作于接收灵敏度最高的并联谐振频 率；通过实验发现，发送传感器的串联谐振频率与 接收传感器的并联谐振频率几乎一致。 因此超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率 附近使用。超声波接收头必须采用与发射头对应的 型号，关键是谐振频率要一致，否则将因无法产生 共振而影响接收效果，甚至无法接收。 另外，超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小， 要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。 第一节 超声波传感器定义与分类 4、超声波传感器的特性 (3) 阻抗特性 5、 性能指标 （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加 到它两端
12、的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输 出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别 时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低 ，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度 比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大 ，灵敏度高；反之，灵敏度低。 第一节 超声波传感器定义与分类 超声波传感器-性能参数 第二节 超声波传感器工作原理 一、超声波传感器测量系统的组成 1、组成 超声波传感器 发送器 接收器 电源 控制处理电路 发送器：将压电晶体的电信号转换成机械波并向空中辐射 接收器：将接收到的机械波
13、传给压电晶体将其转换成电信 号并向空中辐射 控制处理电路：对发射脉冲信号、占空比、计数、探测距 离等进行处理与控制 超声传感器的中心频率一般有：23、40、75、200、400kHz 第二节 超声波传感器工作原理 一、超声波传感器测量系统的组成 2、电路框图 超声波发射 头 超声波接收 头 振荡电路驱动电路 波形变换 放大电路 控制 处理 单元 显 示 电源部分 发射电路 接收电路 控制部分 电源部分 第二节 超声波传感器工作原理 二、超声波传感器发射电路原理 1、组成 振荡电路：一般是RC振荡器，产生40kHz方波 驱动电路：功率放大器 超声波发射头：产生超声波发射信号并向空中辐射 超声波发
14、射头振荡电路驱动电路 2、各部分作用 第二节 超声波传感器工作原理 三、超声波传感器接收电路原理 1、组成 放大电路：将接收到的反射波信号高增益放大、检波、再 放大到合适电压值。 比较电路：波形变换后送显示或报警电路 超声波接收头：接收超声波信号 2、各部分作用 超声波接收头波形变换 放大、检波、 放大电路 第三节超声波传感器应用电路分 析与训练 一、超声波传感器发送电路 1、超声波发送系统电路 控制电路部分振荡电路部分驱动电路部分 第三节超声波传感器应用电路分 析与训练 一、超声波传感器发送电路 （1）振荡电路 作用 产生40kHz超声波频 率信号 实现方式 系统的振荡电路利用 555产生占
15、空比可调的 40kHz方波信号 1、超声波发送系统电路 第三节超声波传感器应用电路分 析与训练 一、超声波传感器发送电路 1、超声波发送系统电路 采用555定时器构成振荡电路，2脚（6脚）及地之 间的电容不断进行充、放电，导致555时基电路处 于置位与复位反复交替状态，输出端3脚交替输出 高电平与低电平，波形为近似矩形波。 第三节超声波传感器应用电路分 析与训练 一、超声波传感器发送电路 1、超声波发送系统电路 555多谐振荡电路的脉冲宽度TL 由电容C 的放电时间来决定： TL0.7R2C TH由电容C 的充电时间来决定： TH0.7（R1+R2）C 输出振荡信号的周期为： T = TL + TH 频率为： 输出脉冲占空比为 第三节超声波传感器应用电路分 析与训练 一、超声波传感器发送电路 （2）控制电路 作用与实现方式 555的强制复位端4 脚由另一个555低频
