6.参量传感器之电容式(超声波)

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1、第第6章章 电容式传感器电容式传感器、超声波传感超声波传感器器及液位的检测及液位的检测2021/6/1612021/6/1622021/6/163电容式传感器电容式传感器电容传感器液位计电容传感器液位计P32 电电容容式式传传感感器器通通过过电电容容传传感感元元件件将将被被测测物物理理量量的的变变化化转转换换为为电电容容量量的的变变化化，再再经经测测量量转转换换电电路路转转换换为电压、电流或频率。为电压、电流或频率。2021/6/164 一、工作原理及结构形式一、工作原理及结构形式电容传感器的理想公式为电容传感器的理想公式为 d 极板间距离；极板间距离； A 极板面积；极板面积；电容极板间介质

2、的介电常数；电容极板间介质的介电常数； r r 相对介电常相对介电常数数电容式传感器电容式传感器0真空的介电常数真空的介电常数。2021/6/165 改变改变d、A、 三个参量中的任意一个量，均可使三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量平板电容的电容量C 改变。改变。 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。容传感器。 电容传感器电容传感器声波测量动声波测量动画演示画演示2021/6/1662021/6/1671变极距式电容传感器变极距式电容传感器变极距式电容传感器原理动画演示变极距式电容传感器原理动画演示设设和和A A不变，初始状

3、极距为不变，初始状极距为d d0 0时，电容器容时，电容器容量为量为C C0 0。若动极板有位移，使极板间距离减。若动极板有位移，使极板间距离减小小x x，则电容则增大到，则电容则增大到 c cx x。2021/6/168变极距式电容传感器结构及特性曲线变极距式电容传感器结构及特性曲线 结构示意图结构示意图1定极板定极板 2动极板动极板 电容量与极板距离的关系电容量与极板距离的关系电容与位移不是线性关系。为了提高测量的灵敏度，减小非线性误差，实电容与位移不是线性关系。为了提高测量的灵敏度，减小非线性误差，实际应用时常采用差动式结构。际应用时常采用差动式结构。2021/6/1692变面积式电容式

4、传感器变面积式电容式传感器2021/6/1610 图图a是平板直线位移式变面积型传感器，极板尺寸是平板直线位移式变面积型传感器，极板尺寸如图所示，动极板做直线运动，改变了两极板的相如图所示，动极板做直线运动，改变了两极板的相对面积，引起了电容量的变化。当动极板随被测物对面积，引起了电容量的变化。当动极板随被测物体产生位移体产生位移x后。此时的电容量为后。此时的电容量为 2021/6/1611 图图b b是同心圆桶式变面积型传感器，外圆桶不是同心圆桶式变面积型传感器，外圆桶不动，内圆桶在外圆桶内做上、下直线运动。设内、动，内圆桶在外圆桶内做上、下直线运动。设内、外圆桶的半径分别为外圆桶的半径分别

5、为r r、R R，内、外圆桶原来的重，内、外圆桶原来的重叠长度为叠长度为h h。当内桶向下产生位移后。当内桶向下产生位移后x x，两个同心，两个同心圆桶的重叠面积减小，引起了电容量随之减小。圆桶的重叠面积减小，引起了电容量随之减小。此时的电容量为此时的电容量为2021/6/1612 变面积式电容传感器的输出特性是线性的变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵，灵敏度是常数。这一类传感器多用于敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、检测直线位移、角位移、尺寸等参量角位移、尺寸等参量。 xa)/1()/1(00pqpqee-=-=CdSCdSCx 图图C C为角位移式变面积型传感器，动极为角位

6、移式变面积型传感器，动极板可围绕定极板旋转形成角位移。设两板可围绕定极板旋转形成角位移。设两极板初始重叠角度为极板初始重叠角度为 ，动极板随被测，动极板随被测物体带动产生一个角位移物体带动产生一个角位移 ，两个极板，两个极板的重叠面积减小，因而电容量随之减小。的重叠面积减小，因而电容量随之减小。此时的电容量为此时的电容量为 2021/6/16133变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器原理动画演示变介电常数电容式传感器原理动画演示2021/6/1614 由于各种介质的介电常数的由于各种介质的介电常数的不同，如果在电容器的极板之不同，如果在电容器的极板之间插入不同的介

7、质，电容器的间插入不同的介质，电容器的电容量就会变化。常被用来测电容量就会变化。常被用来测量液体的液位和材料的厚度。量液体的液位和材料的厚度。还可根据极板间介质的介电常还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、改变而改变数随温度、湿度、改变而改变来测量温度、湿度等。右图为来测量温度、湿度等。右图为电容液位计原理图。当被测绝电容液位计原理图。当被测绝缘液体的液面在两个同心圆金缘液体的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引属管状电极间上下变化时，引起两极间不同介质的高度发生起两极间不同介质的高度发生变化，从而导致总电容量改变。变化，从而导致总电容量改变。 2021/6/1615 经推导可知变

8、介电常数式电容传感器其电容经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：表示：其中其中A、B均为与结构和介质有关的常数均为与结构和介质有关的常数2021/6/1616例例 某电容式液位传感器由直径为某电容式液位传感器由直径为40mm40mm和和8mm8mm的两个同心圆柱体的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm50cm，高为，高为1.2m1.2m。被储存液。被储存液体的体的r r 2.12.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及储存。计算传感器的最小电容和最大电容以及储

9、存灌内传感器的灵敏度灌内传感器的灵敏度(pF/L)(pF/L)。解：解：2021/6/1617三种电容式传感器比较表三种电容式传感器比较表类型类型变间隙变间隙变面积变面积变介电常数变介电常数应用场合应用场合线位移线位移角位移或较角位移或较大线位移大线位移物位、湿度、物位、湿度、密度密度是否线性是否线性非非线性关性关系。灵敏系。灵敏度也不是度也不是常数。常数。线性关系性关系 线性关系性关系 2021/6/16181变压器电桥电路变压器电桥电路二、测量转换电路二、测量转换电路2021/6/1619 缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波 后，才能辨别位

10、移方向。后，才能辨别位移方向。 对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得： 优点：优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。转化为位移与输出电压的线性关系。可得：可得：2021/6/16202调频电路调频电路2021/6/1621图为一种差动脉冲宽度调制电路。图中图为一种差动脉冲宽度调制电路。图中C1和和C2为传感器的两个差动电容。线为传感器的两个差动电容。线路由两个电压比较器路由两个电压比较器A1和和A2，一个双稳态触发器和两个充放电回路，一个双稳态触发器和两个充

11、放电回路R1C1和和R2C2(R1=R2)所组成；所组成；Uref为参考直流电压；双稳态触发器的两输出端电平为参考直流电压；双稳态触发器的两输出端电平由两比较器控制。由两比较器控制。当接通电源后，若触发器当接通电源后，若触发器Q端为高电平，端为高电平， 端为低电平端为低电平(0)，则触发器通过，则触发器通过R1对对C1充电；当充电；当F点电位点电位UF升到与参考电压升到与参考电压Uref相等时，比较器相等时，比较器A1产生一脉冲使产生一脉冲使触发器翻转，从而使触发器翻转，从而使Q端为低电平，端为低电平， 端为高电平。此时，由电容端为高电平。此时，由电容C1通过二极通过二极管管D1迅速放电至零，

12、而触发器由迅速放电至零，而触发器由B端经端经R2向向C2充电；当充电；当G点电位点电位UG与参考与参考电压电压Uref相等时，比较器相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。调制。当当C1=C2时，时，Q和和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，时，Q、两端间的平均电压、两端间的平均电压(经一低通滤波器经一低通滤波器)为为3脉冲宽

13、度调制电路脉冲宽度调制电路2021/6/1622tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图差动脉冲调宽电路各点电压波形图U02021/6/1623脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：消除了非线性；消除了非线性；不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；电路只采用直流电源，不需要频率发生器；电路只采用直流电源，不需要频率发生器；频率对输出无影响；频率对输出无影响；对输出矩形波纯度要

14、求不高。对输出矩形波纯度要求不高。公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输出的公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输出的是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。2021/6/16241压力测量压力测量电容式压力传感器结构图电容式压力传感器结构图三、电容式传感器的应用三、电容式传感器的应用 2021/6/1625高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部内部不锈不锈钢膜钢膜片的片的位置位置电容式差压变送器外形图电容式差压变送器外形图2021/6/1626电容式差压变送器内部结构图电容式差压变送器内部结构图 1高压侧进气口

15、高压侧进气口 2低压侧进气口低压侧进气口 3过滤片过滤片 4空腔空腔 5柔性不锈钢波纹柔性不锈钢波纹 隔离膜片隔离膜片 6导压硅油导压硅油 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9弹性平膜片弹性平膜片 10 腔腔2021/6/1627各种电容式差压各种电容式差压变送器外形图变送器外形图 2021/6/1628利用电容差压变送器测量液体的液位利用电容差压变送器测量液体的液位 差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内的施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：压力与液位成正比： p = g h2021/6/1629投入式电容水位计外形图投入式电容水位计外形图2021/6/1630家用

16、电器压力检测示意图家用电器压力检测示意图2021/6/16312加速度测量加速度测量电容传感器加速度测量动画演示电容传感器加速度测量动画演示2021/6/1632电容式加速度传感器电容式加速度传感器1绝缘体绝缘体 2固体电极固体电极 3质量块（动电极）质量块（动电极） 4弹簧片弹簧片2021/6/1633硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1加速度测试单元加速度测试单元 2信号处理电路信号处理电路 3衬底衬底 4底层多晶硅（下底层多晶硅（下 电极）电极） 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上顶层多晶硅（上 电极）电极）2021/6/1634硅微加工电容加速度传感器硅微加工

17、电容加速度传感器2021/6/1635微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器技术指标：技术指标： 灵敏度：灵敏度：500mV/g 量程：量程：10g 频率范围：频率范围：0.5-2000Hz 安装谐振点安装谐振点:8kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：200g 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm 线线性误差：性误差：1% 2021/6/1636加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 装有传感器装有传感器的假人的假人气囊气囊2021/6/1637汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系

18、统使气囊迅速充气时，经控制系统使气囊迅速充气 。 2021/6/1638利用加速度传感器实现延利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置2021/6/16393转速测量转速测量电容传感器转速测量动画演示电容传感器转速测量动画演示2021/6/1640 电容料位测量示意图电容料位测量示意图1极棒极棒 2容器壁容器壁 4料位和液位测量料位和液位测量AM90系列电容物位仪系列电容物位仪 2021/6/1641聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套液位计液位计设定按钮设定按钮2021/6/1642电容式油量表原理图电容式油量表原理图 2021/6/16435电容式接近开关

19、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）缘体、含水的物体（例如饲料、人体等） ；可以是接地的，也可以是不接地的。可以是接地的，也可以是不接地的。 调节接调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。测物不同来改变动作距离。 2021/6/1644电容式接近开关外形图电容式接近开关外形图齐平式齐平式非齐平式非齐平式2021/6/1645M18M30 40 mm40 mm x 40 mm工作距离工作距离5 mm10 mm20 mm20 mm工作

20、电压工作电压10-65 V DC10-65 V DC，20-250 V AC10-65 V DC，20-250 V AC10-65 V DC，20-250 V AC导线数量导线数量3 线制2、4 线制2、4 线制2、4 线制输出输出pnppnppnppnp常开触点常开、常闭触点，常开和常闭接点，常开或常闭接点常开和常闭接点，常开或常闭接点常开和常闭接点，常开或常闭接点安装安装嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式连接连接电缆电缆接线端子格接线端子格接线端子格SIMATIC PXC200 电容式接近开关使用一览表电容式接近开关使用一览表2021/6/1646 电容式接近开关电容式接近开关 SIMATIC PX

21、C是非接触型传是非接触型传感器，适用于具有各种形状和表面的导电和感器，适用于具有各种形状和表面的导电和非导电金属，可测量传导和非传导性物料，非导电金属，可测量传导和非传导性物料，如固体、粉末或液体等。如固体、粉末或液体等。奶盒中的牛奶检测奶盒中的牛奶检测2021/6/1647电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用2021/6/1648 电容式接近传感器是一个以电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出

22、电路组成，如图所示。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电如图所示。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测电极接近检测电极时，由于检测电极加有路的一个组成部分。当被检测电极接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容为测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容为C=Q/VC=Q/V，所以电荷的增多，使检测电极电容，所以电荷的增多，使检测电极电容C C随之增大，进而又

23、使振荡电路的随之增大，进而又使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振振荡与停振这两种状态被检测电这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。路转换为开关信号后向外输出。电容式接近传感器电容式接近传感器检测的被测物体是检测的被测物体是金属导体金属导体，非金属，非金属导体不能用该方法导体不能用该方法测量。测量。2021/6/1649图是电容式接近传感器的电路图是电容式接近传感器的电路图。图。C1与与L1构成并联谐振电构成并联谐振电路，路，L2和和VT形成共基接法，形成共基接法，C4是反馈电容，是反馈电容，C5是耦合电是耦合电容，容，R3与与C3形

24、成去藕电路。形成去藕电路。R1和和R2是偏置电阻，它们与是偏置电阻，它们与C2形成选频网络。电位器用形成选频网络。电位器用于调节接近距离。于调节接近距离。VD1与与VD2构成检波电路。构成检波电路。C6是检波电是检波电容，容，C0是接近物与金属棒形是接近物与金属棒形成的电容。若被测物接近金属成的电容。若被测物接近金属棒，棒，C0变大，与变大，与C4并联后使并联后使反馈电容增加，从而减弱振荡，反馈电容增加，从而减弱振荡，经经VD1，VD2检波后，输出的检波后，输出的电压为低电平。否则，振荡器电压为低电平。否则，振荡器正常振荡，输出高电平。正常振荡，输出高电平。 电容式接近传感器电路图电容式接近传

25、感器电路图2021/6/1650电容指纹识别动画演示电容指纹识别动画演示6其它测量其它测量2021/6/1651电容角位移测量动画演示电容角位移测量动画演示2021/6/1652电容传感器地应力测量动画演示电容传感器地应力测量动画演示2021/6/1653电容地应力传感器安装动画演示电容地应力传感器安装动画演示2021/6/1654三星三星SPHV6800手机采用电容传感器手机采用电容传感器控制某些功能，取代了部分机械按键控制某些功能，取代了部分机械按键2021/6/16552021/6/1656超声波传感器超声超声波传波传感器感器2021/6/1657P53一、超声波的传输特性一、超声波的传

26、输特性1.1.什么是超声波？什么是超声波？人耳能够听到的机械波，频率在人耳能够听到的机械波，频率在16 Hz20 kHz之间，之间，称为声波。称为声波。人耳听不到的机械波，人耳听不到的机械波， 频率高于频率高于20 kHz的称为超声的称为超声波波；超声波的频率越高，就越接近光学的反射、折射；超声波的频率越高，就越接近光学的反射、折射等特性。等特性。 频率低于频率低于16 Hz的称为次声波。的称为次声波。2021/6/16582 2超声波的波形超声波的波形 由于声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方由于声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向的不同，超声波的波形也不同。通常可分为如下几种

27、：向的不同，超声波的波形也不同。通常可分为如下几种：1）纵波：纵波： 质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体中传播；体和气体中传播；2）横波：横波： 质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它只能在固体中质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它只能在固体中传播；传播；3）表面波：表面波： 质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面波的轨迹是椭圆形，质点随深度增加而迅速衰减的波。表面波的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于

28、传播方位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向。由于表面波随深度增加而衰减很快，因此只能沿着固体向。由于表面波随深度增加而衰减很快，因此只能沿着固体的表面传播。的表面传播。2021/6/16593.3.超声波的特点超声波的特点（1 1） 传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比，传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比， 即即声速为声速为 C=f 式中，式中，为超声波的波长；为超声波的波长； f f为超声波的频率。为超声波的频率。 （2 2） 超声波的衰减：超声波在介质中传播时，由于声超声波的衰减：超声波在介质中传播时，由于声波的扩散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平

29、面波波的扩散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平面波传播时的衰减公式可写作传播时的衰减公式可写作I Ix x= = I I0 0e e-2-2xx。其中，。其中，I I0 0为声源处的为声源处的声强声强; ; I Ix x为距声源为距声源x x处的声强处的声强; ; 为衰减系数（单位为为衰减系数（单位为110110-3-3dB/mmdB/mm），水和一般低衰减材料的的取值），水和一般低衰减材料的的取值为为1 14 4。 2021/6/1660（3 3） 超超声声波波的的反反射射与与折折射射： 当当超超声声波波从从一一种种介介质质传传播播到到另另一一种种介介质质时时， 在在两两种种介介质质的的

30、分分界界面面上上，会会发发生生反反射射与与折折射射。同同样样遵遵循循反反射射定定律律和和折折射射定定律律：入入射射角角与与反反射射角角、折折射射角的正弦比等于入射波速与反射波速、折射波速之比。角的正弦比等于入射波速与反射波速、折射波速之比。 1 1）反射定律）反射定律 入射角入射角的正弦与反射角的正弦与反射角的正弦之比等于入的正弦之比等于入射波与反射波的速度之比。当反射波与入射波同处射波与反射波的速度之比。当反射波与入射波同处于一种介质中时，因波速相同，则反射角于一种介质中时，因波速相同，则反射角等于等于入射角入射角。2021/6/1661（4） 超声波的波形转换：超声波的波形转换： 若选择适

31、当的入射角，若选择适当的入射角， 使纵波使纵波全反射，全反射， 那么在折射中只有横波出现；那么在折射中只有横波出现； 如果横波也全反射，如果横波也全反射， 那么在工件表面上只有表面波存在。那么在工件表面上只有表面波存在。 2 2）折射定律）折射定律 当波在界面上产生折射时，入射角当波在界面上产生折射时，入射角的正弦与折的正弦与折射角射角的正弦之比等于入射波在第一种介质中的波速的正弦之比等于入射波在第一种介质中的波速C1C1与与在第二种介质中的波速在第二种介质中的波速C2C2之比，即之比，即： 压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它

32、是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。号，可用为接收探头。2021/6/1662二、空气中传播的超声波传感器及其基本电路二、空气中传播的超声波传感器及其基本电路1.1.遥控用超声波传感器遥控用超声波传感器超声波遥控电路采用专用的在空气中传播的超声发射器超声波遥控电路采用专用的在空气中传播的超声发射器（用符号（用符号T

33、T表示）与接收器表示）与接收器( (用符号用符号R R表示表示) )成对配套使用。成对配套使用。它所发射的超声波采用固定的中心频率，谐振频率它所发射的超声波采用固定的中心频率，谐振频率f f0 0一一般为般为40kHz40kHz。这种传感器有一种单峰特性，即在中心频率这种传感器有一种单峰特性，即在中心频率f f0 0处灵敏度最高，输出信号幅度最大，接收器的接收灵处灵敏度最高，输出信号幅度最大，接收器的接收灵敏度最高，敏度最高， 而在中心频率两侧则迅速衰减。而在中心频率两侧则迅速衰减。由由于于超超声声波波接接收收器器具具有有很很好好的的选选频频特特性性， 因因此此在在组组成成电电路路系系统统时时

34、，不不必必另另设设选选频频网网络络。由由于于发发射射器器需需要要发发射射出出强强度度较较高高的的超超声声波波信信号号，所所以以它它的的灵灵敏敏度度大大于于100 100 dBdB。接接收收器器应应能能良良好好地地接收超声波信号，因此它的灵敏度大于接收超声波信号，因此它的灵敏度大于60 dB60 dB。 2021/6/16632.2.超声波发射电路超声波发射电路P55P55图是由数字集成电路构成的超声波振荡电路，振荡器产生图是由数字集成电路构成的超声波振荡电路，振荡器产生的高频电压通过耦合电容的高频电压通过耦合电容C CP P供给超声波振子供给超声波振子MA40S2SMA40S2S。CC4049

35、CC4049的的H H1 1和和H H2 2产生与超声波频率相对应的高频电压信号，产生与超声波频率相对应的高频电压信号， H H3 3H H6 6进行功率放大，再经过耦合电容进行功率放大，再经过耦合电容C CP P传给超声波振子传给超声波振子MA40S2SMA40S2S。 数字式超声波振荡电路数字式超声波振荡电路 2021/6/1664采用脉冲变压器的超声波振荡电路采用脉冲变压器的超声波振荡电路 图是采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用图是采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用NPNNPN晶晶体管体管V V放大频率可调振荡器放大频率可调振荡器OSCOSC的输出信号，放大的信号经脉

36、冲的输出信号，放大的信号经脉冲变压器变压器T T升压为较高的交流电压供给超声波传感器升压为较高的交流电压供给超声波传感器MA40S2SMA40S2S。 超声波传感器超声波传感器MA40S2SMA40S2S产生产生40 kHz40 kHz能量的超声波。能量的超声波。 2021/6/16653.3.超声波接收电路超声波接收电路由由于于超超声声波波传传感感器器接接收收到到的的信信号号极极其其微微弱弱，因因此此，一一般般要要接接几几十十dBdB以以上上的的高高增增益益放放大大器器。一一般般用用于于检检测测反反射射波波，它它远远离离超超声声波波发发生生源源，能能量量衰衰减减较较大大，只只能能接接收收到到

37、几几mVmV左左右右的的微微弱弱信信号号。因此，实际应用时要加因此，实际应用时要加多级放大器多级放大器。 如如图图所所示示，采采用用NPNNPN晶晶体体管管V V进进行行放放大大构构成成超超声声波波接接收收电电路路，超声波传感器采用超声波传感器采用MA40S2RMA40S2R。 晶体管超声波接收电路晶体管超声波接收电路 2021/6/1666集成运放超声波接收电路集成运放超声波接收电路 采用运放的超声波接收电路，电路增益较高。采用运放的超声波接收电路，电路增益较高。电路输出为高频电压，电路输出为高频电压， 实际上实际上后面还要接检后面还要接检波电路、放大电路以及开关电路等。波电路、放大电路以及

38、开关电路等。 2021/6/1667三、超声波传感器的应用1.1.高压密闭容器的液位测量高压密闭容器的液位测量2021/6/16682021/6/16692.2.超声波探伤超声波探伤透透射射测测试试法法：当当材材料料内内有有缺缺陷陷时时， 材材料料内内的的不不连连续续性性成成为为超超声声波波传传输输的的障障碍碍， 超超声声波波通通过过这这种种障障碍碍时时只只能能透透射射一一部部分分声声能。能。 只只要要有有百百分分之之几几那那样样的的细细裂裂纹纹， 在在无无损损检检测测中中即即可可构构成成超超声声波不能透过的阻挡层。波不能透过的阻挡层。P255P255 缺陷透射检测法原理图缺陷透射检测法原理图

39、 2021/6/1670脉冲回波探伤原理图脉冲回波探伤原理图 脉冲发生器通过探头将超声波脉冲向试件发射，脉冲发生器通过探头将超声波脉冲向试件发射， 如果有缺如果有缺陷，陷， 其回波会在示波管上显示，其回波会在示波管上显示， 根据示波器上的读数所获根据示波器上的读数所获得的脉冲间隔时间即可测得缺陷的深度。得的脉冲间隔时间即可测得缺陷的深度。 2021/6/1671探伤用超声波传感器的结构图（a） 直探头；（b） 斜探头；（c） 双探头 2021/6/16723.超声波防撞由此可见，要想测得距离H，只要测得超声波的传播时间t即可。 超声波汽车倒车防撞电路 P2772021/6/16734.4.超声

40、波成像探测超声波成像探测 P256P256A A式式显显示示： 它它的的显显示示幅幅度度和和时时间间关关系系， 显显示示屏屏上上的的二二维维分分别别代代表表信信号号的的幅幅度度和和深深度度( (时时间间) )，如如图图所所示示。 它它的的横横坐坐标标可可用来确定产生回波的界面所处的深度。用来确定产生回波的界面所处的深度。 A A式显示式显示 B B式显示：式显示： 将接收到的回波幅度信号将接收到的回波幅度信号加到示波管的加到示波管的Z Z极上进行调辉，极上进行调辉， 当示波当示波管上的时基线与超声脉冲发射方向相一管上的时基线与超声脉冲发射方向相一致时，致时， 则换能器位置逐渐改变，则换能器位置逐渐改变， 时基时基线也相应改变，线也相应改变， B B式显示形成一幅二维式显示形成一幅二维图像。图像。 B式显示式显示 2021/6/1674 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！