超聲波傳感器及想法

1、超聲波傳感器超聲波傳感器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)

2、共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)之前，我們首先來了解一下有關(guān)超聲波傳感器方面的知識(shí)。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測(cè)方式以及超聲波傳感系統(tǒng)的構(gòu)成。1.11.1超聲波傳感器的原理及特性超聲波傳感器

3、的原理及特性1.1.11.1.1超聲波傳感器的原理超聲波傳感器的原理人們可以聽到的聲音頻率為20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz～8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為330ms，這就使得超聲波傳感器

4、使用變得非常簡單。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。一般市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，分解力也變高。超聲波傳

5、感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度

6、方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板(振動(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正B指向特性實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器得空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。圖2是電路中選用的超聲波發(fā)射傳感器的指向圖。圖2超聲波傳感器指向圖

7、超聲波傳感器指向圖超聲波傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是0時(shí)聲壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲波傳感器的指向角一般為40—80，課題中超聲波發(fā)射傳感器的指向角為75。1.21.2超聲波傳感器的檢測(cè)方式超聲波傳感器的檢測(cè)方式1.1.穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時(shí)，檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。這種方式的檢測(cè)距離約1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測(cè)物體

8、使用100mm100mm的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測(cè)透明體等。2.2.限定距離式超聲波傳感器的檢測(cè)方式限定距離式超聲波傳感器的檢測(cè)方式當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測(cè)物體時(shí)，僅檢測(cè)電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無物體通過。若被檢測(cè)物體的檢測(cè)面為平面時(shí)，則可檢測(cè)透明體。若被檢測(cè)物體相對(duì)傳感器的檢測(cè)面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測(cè)到被測(cè)物體。若被檢測(cè)物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測(cè)到被測(cè)物

9、體。3.3.限定范圍式超聲波傳感器的檢測(cè)方式限定范圍式超聲波傳感器的檢測(cè)方式在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測(cè)物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測(cè)到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物體通過。另外，檢測(cè)范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍。4.4.回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場(chǎng)合。若反