第九章超聲波傳感器

第9章超聲波傳感器9.1超聲波及其性質(zhì)19.2超聲波發(fā)生法與振動因子的設計9.3超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)39.4超聲波傳感器的基本電路4259.5超聲波傳感器的應用概述超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。我國對超聲波技術(shù)及其傳感器的研究十分活躍，目前超聲波技術(shù)已廣泛應用于冶金、船舶、機械、醫(yī)療等各個工業(yè)部門的超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲檢測和超聲醫(yī)療等方面。9.1超聲波及其性質(zhì)9.1.1超聲波的頻率范圍

人聽到響聲是由于樂器的振動，經(jīng)過周圍的空氣，傳送到人耳，振動耳膜，使聽覺神經(jīng)感受到響聲。聲音的高低取決于振動數(shù)的多少，音的強弱取決于振幅的大小。一般人耳可聽見的聲波數(shù)范圍為16Hz—20KHz，但此頻率范圍的界限與音的強度或個人聽覺有關(guān)系，所以一般人耳的感音范圍大致可繪成如果9-1所示的關(guān)系圖。

超聲波的聲波數(shù)下限當然也不易決定，通常將20KHz以上的音波稱為超聲波（Ultrasonicwave）。但是聽到、聽不到只是人耳的感覺問題，有時為了配合使用，也將頻率降至10KHz，但有時也可能將頻率升到1000MHz。圖9-1人耳感音頻率范圍9.1.2超聲波的種類超聲波的發(fā)射方式不同，造成了超聲波種類的不同，大致上可分為五類，如圖所示，圖（a）的縱波（LongitudinalWave）又稱壓縮波（CompressionWave），介質(zhì)粒子的振動與波的進行方向一致，專供強力超聲波的運用。圖(b)為縱波，比起圖(a)的縱波，波速慢了許多，主要是因為此類縱波是在直徑較小的棒中傳輸。

圖(c)為橫波（TransverseWave）又稱剪斷波（ShearWave，S波）介質(zhì)粒子的振動與垂直波的進行方向一致，常用于超聲波探勘計等的計測。圖(d)為表面波（SurfaceWave）又稱Rayleigh。圖（e）為彎曲波（FlexuralWave，BendingWave），在沿波進行方向的中心線上介質(zhì)粒子進行橫振動，接近介質(zhì)表面的粒子進行壓縮、伸張運動。

9.1.3超聲波的波速與波長超聲波的波速C、波長λ、頻率f之間有下列關(guān)系：C=f×λ表9-1為超聲波在各種介質(zhì)中的波速，圖9-3所示為超聲波在空氣、水、金屬中的波長與周期波數(shù)的關(guān)系，圖中以實線和虛線區(qū)分超聲波的使用范圍。介質(zhì)縱波速度×105cm/sec密度ρg/cm3聲音阻抗ρc×105鋁6.222.651.70鋼5.817.84.76鎳5.68.94.98鎂4.331.740.926銅4.628.934.11黃銅4.438.53.61鉛2.1311.42.73水銀1.4613.61.93玻璃4.9~5.92.5~5.91.81聚乙烯2.671.10.924電木2.591.40.363水1.431.000.143變壓器油1.390.920.128空氣0.3310.00120.000042表9-1超聲波在各種介質(zhì)中的速度圖9-3空氣、水、金屬中的波長及頻率由上所述可知，縱波的音速在常溫空氣中約3.4×104cm/s，在水中為1.4×105cm/s，鋁中為6.22×105cm/sec，如果發(fā)射一個超聲波的頻率為40KHz，則可利用C=f×λ求出，超聲波在空氣中，水中及鋁中的波長λ為：●空氣中：●水中：●鋁中：9.1.4超聲波的損失理想情況下，超聲波發(fā)射出去后，會一邊擴大，一邊直線前進，只要介質(zhì)沒有吸收超聲波的性質(zhì)，超聲波的強度不論傳到任何地方都不會減弱。不過實際上超聲波的強度隨著距離的增加而逐漸減弱，其原因有二：一是隨著距離的增加波面會擴大，從而造成擴散損失，另外一方面，超聲波會被傳播介質(zhì)吸收及散射，從而造成波動能量的損失。一般稱為吸收損失，也稱衰減。

圖9-4所示即為超聲波在各類介質(zhì)中的衰減情形，讀者在圖中將會發(fā)現(xiàn)頻率愈低的超聲波衰減愈小。圖9-4超聲波的衰減9.1.5超聲波的指向性如圖9-5所示，使一個半徑為R的圓板波源呈活塞狀振動，發(fā)射出具有λ波長的超聲波，則其指向角θ可以表示為sinθ=λ／R。例如從直徑30mm的振動因子，對油中發(fā)射出1MHz的超聲波，使得λ／R=10，于是其指向角θ=4°?？梢姡钩暡ń嵌燃?，可減小λ或增大R，但一般以減小λ居多。

圖9-5超聲波的指向性9.1.6超聲波的反射、透射與折射當超聲波經(jīng)過性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面時，一部分會反射，其余的會穿透過去。這種反射或穿透的強度，由這兩個交界介質(zhì)的特性阻抗Z決定。所謂特性阻抗即為介質(zhì)的密度（ρ）與音速（C）的乘積。假設現(xiàn)在將超聲波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面時，如圖9-6，則音波的反射率γ可用下式表示：

由上式可知兩種介質(zhì)的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超聲波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透過去，而超聲波的穿透率T可以用下式表示：圖9-6超聲波的反射與透射

書中表9-2所示為各種介質(zhì)的反射率。圖9-7所示為在不同介質(zhì)間設厚度為L的其它介質(zhì)，傳播超聲波時，若將遮斷超聲波，此時的透射率T1

為：

圖9-7不同媒質(zhì)間的反射與透射若鄰接中間介質(zhì)的左右介質(zhì)相同，即Z1＝Z2

時，則T1

可簡化為：式中K=2πf/C2，Z1=ρ1C1，Z2=ρ2C2，Z3=ρ3C3，f為超聲波的頻率。

由上式可推論得知，越增大穿透率T1，可以使中間層Z2盡量接近Z1，而且用薄板（使L愈小愈好），或厚度為超聲波半波長的整數(shù)倍的板。若按此要領設計則穿透率T1變成：

如圖9-8，如果超聲波斜著射入固有特性阻抗不同的交界面時，超聲波會發(fā)生折射，令入射角為θi，折射角為θt，C1為入射前的波速，C2為折射后的波速，其關(guān)系可以下式表示：圖9-8超聲波的折射9.1.7超聲波的空洞現(xiàn)象在液體中發(fā)射強力超聲波時，若發(fā)射的超聲波為縱波，在液體中又發(fā)生負壓過大現(xiàn)象時，負壓會將液體拉裂，發(fā)生空孔，即空洞現(xiàn)象。圖9-9所示為空洞的發(fā)生示意圖。此類現(xiàn)象具有氧化、攪拌、

破壞等各種作

用，所以有時

超聲波也常常

用來做氧化、

還原反應及洗凈等工作。

圖9-9空洞的發(fā)生9.1.8超聲波的衰減◆聲波在介質(zhì)中傳播時,隨著傳播距離的增加,能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為：、——距聲源x處的聲壓和聲強;x——聲波與聲源間的距離;α——衰減系數(shù),單位為Np/m（奈培/米）。

聲波在介質(zhì)中傳播時,能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散,即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導熱性、粘滯性及彈性滯后造成的,介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。9.1.9超聲波的干涉如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是會產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。由不同波源發(fā)出的頻率相同、振動方向相同、相位相同或相位差恒定的兩個波在空間相遇時，某些點振動始終加強，某些點振動始終減弱或消失，這種現(xiàn)象稱為干涉現(xiàn)象。兩個振幅相同的相干波在同一直線上彼此相向傳播時疊加而成的波稱為駐波。每相距λ/2的這些點上，介質(zhì)保持靜止狀態(tài)，這些點稱為節(jié)點，節(jié)點之間對應介質(zhì)位移最大的點稱為波腹。

9.3超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，而以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可用為接收探頭。超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖9-13所示，主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜組成。圖9-13壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)9.4超聲波傳感器的基本電路9.4.1超聲波傳感器的驅(qū)動電路發(fā)射用的超聲波傳感器的驅(qū)動方式有自激型與他激型之分。1.自激型驅(qū)動電路自激型振蕩電路就像石英振子那樣，利用超聲波傳感器自身的諧振特性使其在諧振頻率附近產(chǎn)生振蕩。

圖9-14是自激型晶體管振蕩電路，其中MA40A3S是振蕩頻率為40kHz的超聲波傳感器。H：振蕩L：停振（a）基本型（b）振蕩可控型圖9-14自激型晶體管振蕩電路

圖9-14(a)是科耳皮茲振蕩電路。超聲波傳感器在電感性的頻率下產(chǎn)生振蕩。該振蕩頻率與串聯(lián)諧振頻率不一致，造成這種現(xiàn)象的原因是由于反諧振頻率對它的影響，具體地講就是C1、C2的調(diào)整會影響fr。圖9-14(b)是一個具有振蕩控制端的自激型晶體管振蕩電路。由于它將圖9.9(a)的地接到了晶體管VT2的集電極上，因此當VT2截止時振蕩就會停止。圖9-15使用運算放大器的自激放大電路表9-5元件清單名稱圖中代號型號備注運算放大器U1AMC34082FET輸入，兩只裝電阻器R1、R25%，1/4W碳膜電阻器電容C15%，50V聚酯薄膜電容超聲波傳感器MA40A3S諧振頻率40kHz圖9-15是自激型運算放大器振蕩放大電路，元件清單如表9-5所示。

該電路的振蕩頻率接近串聯(lián)諧振頻率，因此效率會比自激型晶體管振蕩電路高出許多。該電路中使用的運算放大器是兩只封裝在一起的摩托羅拉公司的MC34082型集成電路。事實上轉(zhuǎn)換速度只要是在10uV/us以上的運算放大器，都可以使用。2.他激型驅(qū)動電路圖9-16為使用時基電路555的振蕩電路，元件清單如表9-9所示。在他激型驅(qū)動電路中，具有可以自由選擇振蕩頻率的優(yōu)點，這也帶來了頻率不夠穩(wěn)定的缺點。振蕩頻率調(diào)整圖9-16使用時基電路555的他激型振蕩電路名稱圖中代號型號備注定時器集成電路U1NE555電阻R3、R45%，1/4W碳膜電阻電阻R1、R22%，1/4W金屬膜電阻晶體管Q12SC181550V、0.1A以上電位器VR1單圈旋轉(zhuǎn)型碳膜電位器電容C1~C35%，50V聚酯薄膜電容超聲波傳感器MA40A3S諧振頻率40kHz表9-9元件清單

555電路在10kHz以下時的振蕩頻率溫度系數(shù)為50ppm/℃，當頻率進一步提高時頻率溫度特性會變差，在40kHz時變?yōu)?00~200ppm/℃。由此推算，當溫度變化10℃時頻率的變化量約為100Hz。這么大的變化量還不足以影響超聲波傳感器的正常工作。這里講的溫度系數(shù)只是其自身的溫度系數(shù)，不包括元器件溫度系數(shù)的影響。不過，只要R1、R2選用溫度系數(shù)小的金屬膜電阻器，C1選用溫度系數(shù)小的聚丙烯薄膜電容器或聚苯乙烯薄膜電容器即可。在寬帶域超聲波傳感器的情況下，因為其通頻帶較寬，所以也可以使用聚酯薄膜電容器。頻率調(diào)整

圖9-17為門電路驅(qū)動的電路。圖9-17(a)是振蕩電路。4049B內(nèi)共有6個電路，其中的2個電路用于構(gòu)成振蕩電路，另外的4個用于驅(qū)動超聲波傳感器。(a)基本電路圖9-17由門電路構(gòu)成的振蕩電路

圖9-17(b)為振蕩可控型電路。4011B構(gòu)成振蕩電路，用NAND電路實現(xiàn)振蕩控制?？刂齐妷簽镠（高電平）時產(chǎn)生振蕩，控制電壓為L（低電平）時停止振蕩。超聲波傳感器的驅(qū)動是4049B來完成的。圖9-17(b)帶有振蕩控制的門電路振蕩電路9.4.2超聲波傳感器的接收電路使用運算放大器的接收電路與元件清單超聲波傳感器接收的信號，最大時約為1V左右；最小時約為1mV左右。為了將該電壓放大到后續(xù)電路易于處理的電壓，增益至少也應當達到100倍以上。圖9-18為使用運算放大器的放大電路，元件清單如表所示。圖9-18使用運算放大器的電路（100倍增益）名稱圖中代號型號備注運算放大器U1AMC34082FET輸入，兩只裝超聲波傳感器MA40A3R諧振頻率40kHz電阻R1~R25%，1/4W碳膜電阻器電容C110%，50V陶瓷電容器表9-10元件清單頻率高達40kHz，因此運算放大器必須是高速型的。而對于精度和失真度的要求卻比較寬容，所以只需要通用型的TL080系列和LF356、LF357、MC34080系列即可。如果增益不足，可以不由U1A直接輸出，而是再增加一級放大器；而且這時每一級放大器的增益也可以降低到100以下。圖9-19使用視頻放大器LM733的放大電路（增益在2000倍以上）增益100倍增益200倍2.使用視頻放大器的接收電路圖9-19為使用視頻放大器LM733的接收電路，元件清單如表所示。LM733的增益可以設定為10倍、100倍和400倍；考慮到增益越大其輸入阻抗越小，在增益為100時使用它。因為其輸入和輸出都采用差動放大方式，所以有必要將差動電壓輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出，這樣就需要如圖中那樣使用輸出變壓器。這里也可以使用ST12進行電壓放大。輸入端的二極管和輸出端的雪崩二極管都是起保護作用的。圖中還給出了在不使用變壓器時，可以使用運算放大器替代變壓器的方法。

表9-11元件清單名稱圖中代號型號備注視頻放大器U1LM733超聲波傳感器MA40A3R諧振頻率40kHz二極管D1、D21S1588D3、D405Z5.15.1V的雪崩二極管輸出變壓器T1ST12電阻R1~R35%，1/4W碳膜電阻器電容C110%，50V獨石電容器圖9-20使用比較器集成電路的放大電路名稱圖中代號型號備注比較器U1LM393超聲波傳感器MA40A3R諧振頻率40kHz電阻R1~R35%，1/4W碳膜電阻器3.使用比較器的接收電路圖9-20為使用比較器集成電路LM933的接收電路，元件清單如表所示。

比較器和運算放大器一樣不進行相位補償，因此也可以像運算放大器那樣高速運行。但是，如果將它作為放大器使用，就容易產(chǎn)生自激振蕩，因此這里還僅僅把它作為比較器使用，為此，其輸出就只取+5V或者-5V兩個值。由于其本身屬于數(shù)字輸出，因此使用起來反倒很容易。另外為了避免噪聲，可以通過正反饋的方式給它一個很小的、約±1mV的滯后電壓。圖9-21空間擾動偵測器(a)超聲波發(fā)射電路9.5超聲波傳感器的應用9.5.1空間擾動偵測器

如圖9-21所示，為利用超聲波原理制成的空間擾動偵測器，(a)圖是超聲波發(fā)射電路。

該電路利用4個與非門組成一個40KHz的振蕩器，電路中所使用的發(fā)射器，是對40KHz諧振的超聲波發(fā)射器，當電路中S1斷開時，Pin1為低電位使U5-a輸出為1，于是充電電流經(jīng)R19，R18向C6充電，經(jīng)過一段充電時間，使得Pin2為高電位，由于Pin1保持在低電位，所以U5-a輸出仍保持高電位，所以電路不振蕩。當S1閉合時，Pin1為高電位，又Pin2也為高電位，致使U5-a輸出低電位，于是C6

開始放電，經(jīng)過一段放電時間之后，Pin2電位降為低電位，U5-a

輸出恢復高電位，C6又重新充電，這個振蕩電路的輸出有兩個端子，這兩個輸出端子的輸出信號互為反相，可以增加超聲波的輸出振幅。（b）超聲波接收電路圖9-21空間擾動偵測器

(b)圖為超聲波接收電路及警報電路，圖中VT2及VT3組成串級放大電路，負責將40KHz接收器所接收到的40KHz信號放大，放大后的40KHz信號，經(jīng)過U6組成的緩沖器，送至R25、C8整流、濾波而取出一個直流電壓。此電路在使用時可以分別將發(fā)射器及接收器安裝在欲偵測空間對角，且使接收器能夠收到發(fā)射器所發(fā)射出來的超聲波信號，此時，若空間中沒有異物侵入，則接收器能持續(xù)收到超聲波信號。因此經(jīng)放大，整流出來的電壓準位為高電位，致使比較器的輸出為低電位，警報器不響。當空間中有異物侵入時，將使接收器所接收到的超聲波信號減弱或中斷，此時，經(jīng)放大，整流出來的電壓準位將下降或變?yōu)榈碗娢?、致使比較器的輸出為高電位。9.5.2物體檢測計使用光學傳感器檢測物體時，無法檢測到透明的物體；用紅外傳感器的情況下，被測對象必須是和環(huán)境溫度不同的物體。然而使用超聲波傳感器，對被測對象沒有上述的要求限制。使用超聲波傳感器時有兩種檢測方式：●直接檢測方式●反射檢測方式

直接檢測方式是將發(fā)射器與接收器相配置，當能夠直接接收到對面發(fā)射來的超聲波時，或者說接收器有信號電壓輸出時，就表示沒有物體在阻擋超聲波的傳輸。反過來，當沒有信號電壓輸出時，就有物體阻擋住了超聲波的傳輸。反射檢測方式是將發(fā)射器與接收器配置在比較接近的地方，當能夠接收到反射回來的超聲波時，或者說接收器有信號電壓輸出時，就表示有物體在反射超聲波。反射檢測方式又分為發(fā)射器與接收器是由2個獨立的超聲波傳感器來完成的分體式、1個超聲波傳感器兼作發(fā)射器與接收器的一體式兩種形式。一體式具有只使用1個超聲波傳感器即可的優(yōu)點；但是也有需要發(fā)射/接收切換電路、存在過于靠近的距離成為無法檢測的盲區(qū)的缺點。1.直接檢測式物體檢測電路●用他激型振蕩電路驅(qū)動超聲波傳感器下圖9-22為使用直接檢測方式檢測物體的電路，元件清單如表所示。其中的發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動電路是使用時基電路555的他激型振蕩驅(qū)動電路?？梢詫㈩l率預設成40kHz，然后再用頻率調(diào)整電位器VR1將接收用超聲波傳感器的輸出電壓調(diào)整到最大。圖9-22直接檢測方式的物體檢測電路名稱圖中代號型號備注比較器U2ALM393超聲波傳感器MA40A3S/RMA40A3S發(fā)射，MA40A3R接收時基電路U1NE555專用集成電路U3LM2907N專用集成電路二極管D105Z5.1D21S1588發(fā)光二極管LED1TLR143紅色電容C1~C510%，50V聚酯薄膜電容20%，50V電解電容電阻5%，1/4W碳膜電阻電位器VR1、VR2單圈旋轉(zhuǎn)型碳膜電位器表9-13元件清單用LM393制作接收電路對于接收用的超聲波傳感器MA40A3R的輸出壓，使用LM393進行放大。LM393的輸出為矩形。用LM2907N進行信號處理LM393的輸出端連接在了轉(zhuǎn)速計用的