超聲波傳感器-PPT課件

1、超聲波傳感器原理簡(jiǎn)述 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻 率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)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(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。工作原理 人們能聽到聲音是由于

2、物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，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(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)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。 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?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既

3、作發(fā)送，也能作接收。超聲波的種類 超聲波的發(fā)射方式不同，造成了超聲波的種類不同，大致可分為縱波，縱波（壓縮波），橫波，表面波，彎曲波。 表面波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。表面波隨深度增加衰減很快。表面波振動(dòng)軌跡是橢圓形，在固體表面?zhèn)鞑ァ?在沿潑進(jìn)行方向的中心線上介質(zhì)粒子進(jìn)行橫振動(dòng)，接近介質(zhì)表面的粒子進(jìn)行壓縮、伸張運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)超聲波類型，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(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，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(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。 特性

4、 超聲波的衰弱：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。另一方面，超聲波會(huì)被傳播的的介質(zhì)吸收及散射，從而造成波動(dòng)能量的損失。一般稱為吸收損失，也稱為衰減。 超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)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(diǎn)，比如，反射問題，噪音，交叉問題。 如噪音：雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生類似頻率的噪音。引起傳感器接收到錯(cuò)誤的信號(hào)。 反射問題 如果被探測(cè)物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會(huì)獲得正確的角度。但是不幸的是，在實(shí)際使用中，很少被探測(cè)物體是能被正確的檢測(cè)的。其中可能會(huì)出現(xiàn)幾種

5、誤差： 三角誤差 ：當(dāng)被測(cè)物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測(cè)的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。 鏡面反射 ：這個(gè)問題和高中物理中所學(xué)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(wú)法產(chǎn)生回波，也就無(wú)法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會(huì)忽視這個(gè)物體的存在。 多次反射 ：這種現(xiàn)象在探測(cè)墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比較常見。聲波經(jīng)過多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測(cè)值并不是真實(shí)的距離值。 這些問題可以通過使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來(lái)解決。通過探測(cè)多個(gè)超聲波的返回值，用來(lái)篩選出正確的讀數(shù)。超聲波接收器原理 在超聲波技術(shù)中，除了需要能產(chǎn)生超聲波的發(fā)生器外，還需要能接受

6、超聲波的接收器。 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，利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。他的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的正弦電壓。 壓電式超聲波接收器是有時(shí)就用同一個(gè)換能兼做發(fā)生和接受器兩種用途。壓電陶瓷芯片 超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測(cè)模式。位于傳感器前面的被檢測(cè)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(cè)到被測(cè)物。 在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。 液位測(cè)試：超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，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(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。 石料測(cè)量超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用 超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可