關(guān)于超聲波傳感器研究

1、超聲波傳感器摘要許多儀器及控制應(yīng)用中均涉及到超聲波傳感器，尤其是在醫(yī)學(xué)檢 測、流量測量、材料無損檢驗及物位測量等方面，超肅波傳感器的應(yīng)用尤為普遍。 并r隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波在傳感器屮的應(yīng)用越來越廣，超聲波傳感 器是貫穿很多技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，有很大的發(fā)展前景。引言 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，利用超聲波的特性，可 做成各種超聲波傳感器，配上不同的電路，制成各種超肅測量儀器及裝置，并在 各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。例如，地而不平整而造成的交通事故很多，為了冇效的 減少行駛中的振動，技術(shù)人員研究出一種新的懸掛系統(tǒng)：主動懸掛系統(tǒng)，它能根 據(jù)路面的情況實吋調(diào)整減振彈簧與阻尼之間的優(yōu)化

2、比，從而達(dá)到減振緩沖的口 的。該系統(tǒng)主要冇傳感器件、控制器件和執(zhí)行器件三部分組成，其中，傳感器在 整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。正文一.工作原理及構(gòu)造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i種振動頻 率高于聲波的機械波，出換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具冇頻率 高、波長短、繞射現(xiàn)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(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透 兒i米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成冋波，碰到 活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué) 等方面。超聲波應(yīng)用冇三

3、種基本類型，透射型用于搖控器、防盜報警器、自動門、 接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位傳感器；反射型用于材料探傷、 測厚傳感器等。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及銀鐵鋁合金（磁致伸縮） 兩類。電致伸縮的材料有錯鈦酸鉛（pzt）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是 一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超 聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超蘆波傳感器 既作發(fā)送，也能作接收。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包扌乩（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吋，輸出的能量最人，靈

4、敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探 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(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片木身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之, 靈敏度低。超聲波傳感器系統(tǒng)構(gòu)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(zhuǎn)換 成超能量并向空屮幅射；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(chǎn)生機械振動，將其變換成屯能量

5、，作為傳感器接收器的輸出，從而對 發(fā)送的超進(jìn)行檢測。而實際使用屮，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?？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(diào)制和計數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。超聲波傳感器電源（或稱信號源）可用 dc12v + 10%或24v 土 10 %o若對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40khz的壓電陶 瓷片（雙晶振了）施加40khz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極 性仲長與縮短，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(diào)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(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力

6、，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一 面為“ + ”極，另一面為“一”極的40khz正弦電壓。以下為超聲波傳感器的裝置圖：二、超聲波傳感器的幾個應(yīng)用1、在醫(yī)學(xué)檢測上的應(yīng)用：b超一般的b超工作過程為：當(dāng)探頭獲得激勵脈沖后發(fā)射超聲波，（同時探頭受 聚焦延遲電路控制，實現(xiàn)聲波的聲學(xué)聚焦），然后經(jīng)過一段吋間延遲后再由探頭接 受反射回的回聲信號，探頭接收回來的回聲信號經(jīng)過濾波，對數(shù)放人等信號處理。 然后由dsc電路進(jìn)行數(shù)字變換形成數(shù)字信號，在cpu控制下進(jìn)一步進(jìn)行圖像處 理,，再同圖表形成電路和測量電路一起合成視頻信號送給顯示器形成我們所熟 悉的b超圖像。而這個過程的實現(xiàn)與超聲波傳感器是密不可分的。2、在質(zhì)檢

7、方而的應(yīng)用：超聲波測距傳感器超聲波距離傳感器，采用超聲波冋波測距原理，運用精確的時差測量技術(shù)， 檢測傳感器與口標(biāo)物之間的距離，采用木廠開發(fā)的小角度，小盲區(qū)超聲波傳感器, 具有測量準(zhǔn)確，無接觸，防水，防腐蝕，低成本等優(yōu)點，可應(yīng)于液位，物位檢測, 特有的液位，料位檢測方式，可保證在液面有泡沫或大的晃動，不易檢測到回波 的情況下冇穩(wěn)定的輸岀。cx2o1o6aoxr1r2 2(»ok? q q qr322k1into三、超聲波傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景新技術(shù)的應(yīng)用使得今天的超聲波傳感器能經(jīng)受的住惡劣環(huán)境的考驗:冇ip67 和ip69k防護(hù)等級的超聲波傳感器可以應(yīng)用于潮濕的環(huán)境中，比如瓶子清洗

8、機 器。內(nèi)建溫度補償電路，在正?；蛘咦兓牟僮鳡顟B(tài)時，當(dāng)有明顯的溫度變化時, 由溫度補償電路進(jìn)行校對。teflon型號的超聲波傳感器的表面冇一種特殊涂層可 以用來抵御有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕等等。超聲波傳感器的發(fā)展前景很可觀，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具冇更高 定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采 用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動探測和識別；研制更 適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識別問題；人力降低潛艇 自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境等等。結(jié)論 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應(yīng)用越來越廣。 展望未來，超聲波傳感器作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很 人的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展。超聲波傳感器的發(fā)展前 景很可觀，無庸置疑，未來的超肅波傳感器將與門動化智能化接軌，與其他的傳 感器集成和融合，形成多傳感器。隨著傳感器的技術(shù)進(jìn)