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1、 超声波传感器 原理简述 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器 超声波是一种振动频率高于声波的机械波 由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的 它具有频率高 波长短 绕射现象小 特别是方向性好 能够成为射线而定向传播等特点 超声波对液体 固体的穿透本领很大 尤其是在阳光不透明的固体中 它可穿透几十米的深度 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波 碰到活动物体能产生多普勒效应 因此超声波检测广泛应用在工业 国防 生物医学等方面以超声波作为检测手段 必须产生超声波和接收超声波 完成这种功能的装置就是超声波传感器 习惯上称为超声换能器 或者超声探头 工作原理 人们能听到声音是由于
2、物体振动产生的 它的频率在20HZ 20KHZ范围内 超过20KHZ称为超声波 低于20HZ的称为次声波 常用的超声波频率为几十KHZ 几十MHZ 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡 有两种形式 横向振荡 横波 及纵和振荡 纵波 在工业中应用主要采用纵向振荡 超声波可以在气体 液体及固体中传播 其传播速度不同 超声波传感器主要材料有压电晶体 电致伸缩 及镍铁铝合金 磁致伸缩 两类 电致伸缩的材料有锆钛酸铅 PZT 等 压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器 它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波 同时它接收到超声波时 也能转变成电能 所以它可以分成发送器或接收器 有的超声波传感器既作发送
3、也能作接收 超声波的种类 超声波的发射方式不同 造成了超声波的种类不同 大致可分为纵波 纵波 压缩波 横波 表面波 弯曲波 表面波是质点的振动介于横波与纵波之间 沿着表面传播的波 表面波随深度增加衰减很快 表面波振动轨迹是椭圆形 在固体表面传播 在沿泼进行方向的中心线上介质粒子进行横振动 接近介质表面的粒子进行压缩 伸张运动 根据超声波类型 超声波探头主要由压电晶片组成 既可以发射超声波 也可以接收超声波 小功率超声探头多作探测作用 它有许多不同的结构 可分直探头 纵波 斜探头 横波 表面波探头 表面波 兰姆波探头 兰姆波 双探头 一个探头反射 一个探头接收 等 特性 超声波的衰弱 声波在介质
4、中传播时 随着传播距离的增加 能量逐渐衰减 另一方面 超声波会被传播的的介质吸收及散射 从而造成波动能量的损失 一般称为吸收损失 也称为衰减 超声波传感器应用起来原理简单 也很方便 成本也很低 但是目前的超声波传感器都有一些缺点 比如 反射问题 噪音 交叉问题 如噪音 虽然多数超声波传感器的工作频率为40 45Khz 远远高于人类能够听到的频率 但是周围环境也会产生类似频率的噪音 引起传感器接收到错误的信号 反射问题如果被探测物体始终在合适的角度 那超声波传感器将会获得正确的角度 但是不幸的是 在实际使用中 很少被探测物体是能被正确的检测的 其中可能会出现几种误差 三角误差 当被测物体与传感器
5、成一定角度的时候 所探测的距离和实际距离有个三角误差 镜面反射 这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的 在特定的角度下 发出的声波被光滑的物体镜面反射出去 因此无法产生回波 也就无法产生距离读数 这时超声波传感器会忽视这个物体的存在 多次反射 这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见 声波经过多次反弹才被传感器接收到 因此实际的探测值并不是真实的距离值 这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决 通过探测多个超声波的返回值 用来筛选出正确的读数 超声波接收器原理 在超声波技术中 除了需要能产生超声波的发生器外 还需要能接受超声波的接收器 接收器是利用压力传感器所采用的压
6、电效应的原理 即在压电元件上施加压力 利用正压电效应进行工作的 他的结构和超声波发生器基本相同 使压电元件发生应变 则产生一面为 极 另一面为 极的正弦电压 压电式超声波接收器是有时就用同一个换能兼做发生和接受器两种用途 压电陶瓷芯片 超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式 位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器 从而使传感器检测到被测物 在工业方面 超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种 液位测试 超声波测量液位的基本原理是 由超声探头发出的超声脉冲信号 在气体中传播 遇到空气与液体的界面后被反射 接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间 即可换算出距离或液位高度 石料测量 超声波流量计现场使用 超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点 1 无任何机械传动部件 也不接触被测液体 属于非接触式测量 不怕电磁干扰 不怕酸碱等强腐蚀性液体等 因此性能稳定 可靠性高 寿命长 2 其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量
