超聲波傳感器論文.doc

超聲波傳感器基本介紹超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是指頻率高于20kHz的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。1組成部分超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。性能指標簡介超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓 超聲波傳感器電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：工作頻率工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用 超聲波傳感器功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。靈敏度主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。指向性超聲波傳感器探測的范圍主要應用超聲波傳感技術應用在生產實踐的不同方面，而醫(yī)學應用是其 超聲波傳感器最主要的應用之一，下面以醫(yī)學為例子說明超聲波傳感技術的應用。超聲波在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質界面是，在該界面就產生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的 超聲波傳感器應用中，超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來，將出現更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波距離傳感器技術應用超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應用在物位（液位）監(jiān)測，機器人防撞，各種超聲波接近開關，以及防盜報警等相關領域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。工作原理人們能聽到聲音是由于物體振動產生的，它的頻率在20HZ-20KHZ 超聲波傳感器范圍內，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應用。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙 超聲波傳感器控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關用，它的性能較好。超聲波應用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超進行檢測.而實際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。工作程式若對發(fā)送傳感器內諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子 超聲波傳感器)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應變，則產生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時發(fā)出警告。所設計的檢測系統(tǒng)可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區(qū)內障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報警檢測系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會減少，并可以游刃有余地采取必要的動作。系統(tǒng)構成由發(fā)送傳感器 ( 或稱波發(fā)送器 ) 、接收傳感器 ( 或稱波接收器 ) 、控制部 超聲波傳感器分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超進行檢測 . 而實際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。超聲波傳感器電源 ( 或稱信號源 ) 可用 DC12V 10 % 或 24V 10 % 。工作模式簡介超聲波傳感器利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測 超聲波傳感器。超聲波傳感器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。檢測模式超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對射式超聲波傳感器包括一個發(fā)射器和一個接收器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接收器和發(fā)射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，從而傳感器將產生開關信號。檢測范圍超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長， 超聲波傳感器頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300500mm波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達8m。一些傳感器具有較窄的6º聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發(fā)射角在12º至15º的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內。這種結構更適合檢測安裝空間有限的場合。調節(jié)幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關輸出的近點和遠點或是測量范圍進行調節(jié)。在設定范圍外的物體可以被檢測到，但是不會觸發(fā)輸出狀態(tài)的改變。一些傳感器具有不同的調節(jié)參數，如傳感器的響應時間、回波損失性能，以及傳感器與泵設備連接使用時對工作方向的設定調節(jié)等。重復精度波長等因素會影響超聲波傳感器的精度，其中最主要的影響因素是隨溫度 超聲波傳感器變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器具有溫度補償的特性。該特性能使模擬量輸出型的超聲波傳感器在一個寬溫度范圍內獲得高達0.6mm的重復精度。輸出功能所有系列的超聲波傳感器都有開關量輸出型產品。一些產品還有2路開關量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數產品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產品。噪聲抑制金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超聲波傳感器的參數賦值，這主要是由于頻率范圍的優(yōu)選和已獲專利的噪聲抑制電路。同步功能超聲波傳感器的同步功能可防干擾。他們通過將各自的同步線進 超聲波傳感器行簡單的連接來實現同步功能。它們同時發(fā)射聲波脈沖，象單個傳感器一樣工作，同時具有擴展的檢測角度。交替工作超聲波傳感器 超長掃描型以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨立的，不會相互影響。以交替方式工作的傳感器越多，響應的開關頻率越低。檢測條件超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質中工作，但需要進行靈敏度的調節(jié)。盲區(qū)直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測位于超聲波換能器前段的部分物體。由此，超聲波換能器與檢測范圍起點之間的區(qū)域被稱為盲區(qū)。傳感器在這個區(qū)域內必須保持不被阻擋。溫濕度空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時間?？諝鉁囟让可仙?0ºC，檢測 超聲波傳感器距離至多增加3.5%。在相對干燥的空氣條件下，濕度的增加將導致聲速最多增加2%。空氣壓力常規(guī)情況下大氣變化5%（選一固定參考點）將導致檢測范圍變化0.6%。大多數情況下，傳感器在5Bar壓力下使用沒有問題。氣流氣流的變化將會影響聲速。然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在產生空氣渦流比較普遍的條件下，例如對于灼熱的金屬而言，建議不要采用超聲波傳感器進行檢測，因為對失真變形的聲波的回聲進行計算是非常困難的。標準檢測物采用正方形聲反射板用于額定開關距離sn的標定。1mm的厚度垂直性：與聲束軸線垂直。防護等級外殼可防固體顆粒和防水。IP65：完全防塵；防水柱的侵入。IP67：完全防塵；在恒溫下浸入水下1m深處并放置30分鐘，能夠有效防護。IP69K：基于EN60529的符合DIN40050-9泵功能可施行雙位置控制，例如一個液位控制系統(tǒng)的泵入泵出功能。當一個被測物遠離傳感器到達檢測范圍的遠點時，輸出動作。當被測物靠近傳感器到達檢測范圍設定的近點時，輸出相反的動作。檢測好壞超聲波傳感器用萬用表直接測試是沒有什么反映的。要想測試超聲波傳感器的好壞可以搭一個音頻振蕩電路，當C1為390OF時，在反相器腳與腳間可產生一個1.9kHz左右的音頻信號。把要檢測的超聲波傳感器(發(fā)射和接收)接在腳與腳之間;如果傳感器能發(fā)出音頻聲音，基本就可以確定比超聲波傳感器是好的。注：C1=3900F時，為1.9kHZ左右；C1=0.O1F時，約0.76kHZ。液位測試超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長；（2）其響應時間短可以方便的實現無滯后的實時測量。系統(tǒng)采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時間，根據媒質中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面?？紤]到環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償的方法對傳播速度予以校正，以提高測量精度。計算公式為：V=331.5+0.607T （1）式中：V為超聲波在空氣中傳播速度；T為環(huán)境溫度。S=V t/2=V（t1t0）/2 （2）式中：S為被測距離；t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時間差；t1為超聲回波接收時刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時刻和t1時刻，根據以上公式，用軟件編程即可得到被測距離S。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點的混合信號處理器，其內部集成了溫度傳感器，因此可利用軟件很方便的實現對傳感器的溫度補償。注意事項31：為確?？煽啃约伴L使用壽命，請勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器。2：由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會導致誤動作，風吹時檢出距離也會發(fā)生變化。因此，不應在強制通風機之類的設備旁使用傳感器。3：噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會影響傳感器且不應在傳感器附近使用。4：傳感器表面的水滴縮短了檢出距離。5：細粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時無法被檢出（反射型傳感器）。6：不能在真空區(qū)或防爆區(qū)使用傳感器。7：請勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器；此區(qū)域的大氣不均勻。將會產生溫度梯度，從而導致測量錯誤。暴露問題簡介超聲波傳感器應用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點，比如，反射問題，噪音，交叉問題。反射問題如果被探測物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會獲得正確的角度。但是不幸的是，在實際使用中，很少被探測物體是能被正確的檢測的。其中可能會出現幾種誤差：三角誤差當被測物體與傳感器成一定角度的時候，所探測的距離和實際距離有個三角誤差。鏡面反射這個問題和高中物理中所學的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產生回波，也就無法產生距離讀數。這時超聲波傳感器會忽視這個物體的存在。多次反射這種現象在探測墻角或者類似結構的物體時比較常見。聲波經過多次反彈才被傳感器接收到，因此實際的探測值并不是真實的距離值。這些問題可以通過使用多個按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數。噪音雖然多數超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠遠高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會產生類似頻率的噪音。比如，電機在轉動過程會產生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產生的高頻噪音，機器人本身的抖動，甚至當有多個機器人的時候，其它機器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會引起傳感器接收到錯誤的信號。這個問題可以通過對發(fā)射的超聲波進行編碼來解決，比如發(fā)射一組長短不同的音波，只有當探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進行距離計算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。交叉問題交叉問題是當多個超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機器人上的時候所引起的。超聲波X發(fā)出的聲波，經過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時Z和Y會根據這個信號來計算距離值，從而無法獲得正確的測量。解決的方法可以通過對每個傳感器發(fā)出的信號進行編碼。讓每個超聲波傳感器只聽自己的聲音。F時，為1.9kHZ左右；C1=0.O1F時，約0.76kHZ。具體應用一、超聲波傳感器可以對集裝箱狀態(tài)進行探測。將超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部，向集裝箱內部發(fā)出聲波時，就可以據此分析集裝箱的狀態(tài)，如滿、空或半滿等。二、超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規(guī)則物體。但不適用于室外、酷熱環(huán)境或壓力罐以及泡沫物體。三、超聲波傳感器可以應用于食品加工廠，實現塑料包裝檢測的閉環(huán)控制系統(tǒng)。配合新的技術可在潮濕環(huán)如洗瓶機、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進行探測。2四、超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料，控制張力以及測量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗煤的設備運、塑料加工以及汽車行業(yè)等。超聲波傳感器可用于流程監(jiān)控以提高產品質量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。暴露問題簡介超聲波傳感器應用起來原理簡單，也