超声波传感器概述

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超声波传感器概述

时间:2021-02-26
一、超声波是传播物体机械振动状态的声音。超声是一种振动频率超过20000Hz的声波,它每秒振动量很大,超过了人耳听觉的极限,人们称这种听不到的声波为超声波。超声是一种在弹性介质中的机械振动,它有两种形式:横向振动(横波)和纵向振动(纵波)。纵向振荡是工业应用的主要形式。超声可以通过气体、液体和固体传播,但速度却不一样。此外,它还存在折射和反射现象,并在传播过程中发生衰减。传播规律,如反射,折射,绕射,散射,超声波在介质中的传播,和听觉中的传播没有本质区别。
同听声相比,超声波具有许多奇异的特性:传播特性──超声波的衍射能力很差,它能在均匀介质中以直线方向传播,而且超声波的波长越短,这个特性越明显。动力性——当声音在空气中传播时,将空气中的颗粒往复振动,同时对颗粒做功。同一强度下,声波的频率越高,其能量也越大。因为超声频率很高,所以与普通声波相比,超声具有很大的功率。气泡效应——当超声波在液体中传播时,由于液体颗粒的剧烈振动,液体内部会产生小的气泡。这种小孔隙迅速膨胀并关闭,使得液体粒子之间产生强烈的碰撞,从而产生压强,数千到数万个大气压。颗粒之间这种强烈的相互作用,会使液体的温度急剧上升,这样就会乳化两种不相溶的液体(如水和油),并加速溶解,加速化学反应。超声波在液体中产生的这种不同的作用叫做超声的空化作用。
超声的特征:(1)超声传播时,方向感强,能量容易集中;(2)超声可以通过各种媒质进行传播,传播距离足够远;(3)超声与传声媒质之间的相互作用适中,便于携带关于传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质有影响)。
二、超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性而研制的。用超声作为检测手段,必然会产生并接收超声波。实现这一功能的设备是通常所说的超声波传感器,即超声换能器或超声波探头。超声探头主要由压电薄膜构成,既能发射超声,又能接收超声。超声波探头的核心是一块压电晶片,它的塑料外壳或金属外壳。组成芯片的物质可以有很多种。超声传感器的主要材料是压电晶体(电致伸缩)和镍铁铝合金(磁致伸缩)。锆钛酸铅(PZT)等材料是电致伸缩材料。由压电型晶体构成的超声波传感器是一种可逆传感器,它能将电能转换为机械振动而产生超声波,在收到超声波的同时,也能转换为电能,因此它可以被分为发送端和接收端。有些超声波传感器可以同时进行发射和接收两种功能。超声传感器由发射(或称波发送)传感器、接收(或称波接收器)传感器、电源控制部分组成。传送器传感器由发射体和使用直径约15毫米的陶瓷振子换能器组成,该换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转化为超能量并辐射到空气中;而接收传感器则由陶瓷振子换能器和放大电路组成,该换能器接收产生的机械振动,将其转化为电能量,输出到传感器接收器,用于探测超声波。该控制器主要对发送端的脉冲链频、占空比、稀疏调制计数、探测距离等进行控制。
超声波传感器应用1.超声波距离传感器技术的应用超声波传感器由三部分组成:超声波换能器、处理单元和输出级。在电压激励下,处理单元将超声换能器以脉冲的形式输出超声波,然后将超声波转换到接收状态,处理单元对接接收到的超声波脉冲进行分析,判断接收到的超声波回声是否是所发出的超声波。若有,则测量超声波的冲程时间,并将其转换为冲程,除以2,即反射超声波的物体距离。将超声传感器安装在适当位置,对着被测物的变化方向发射超声波,就可以测量物体表面到传感器的距离。超声传感器有发送端和接收端,而超声传感器还可以同时起到发射和接收两种功能。超声传感器是利用压电效应原理,实现电能与超声波的相互转换,即在发出超声波的同时,转换电能,发出超声波;而在接收回波的同时,将超声振动转换为电信号。
二、超声传感器在医学中的应用超声主要用于疾病诊断,已成为临床医学中一种不可或缺的诊断手段。超声诊断具有无痛、无损伤、检查方法简单、显像清晰、诊断准确等优点。
3.超声波传感器在测量液位时应用超声波测量液位的基本原理是:超声探头发出超声脉冲信号,在气体中传播,遇气、液界面被反射,收到回波信号后,计算其超声波往返的传播时间,可转换成距离或液位高度。超声测量法具有许多其他测量方法无法比拟的优点:(1)无机械传动元件,与被测液体不接触,属非接触测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定可靠,使用寿命长;(2)响应时间短,可方便地实现无滞后实时测量。
4.超声波传感器在测距系统中的应用超声测距大致有以下方法:①测量输出脉冲的平均电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测得距离即可测量距离;②测量输出脉冲的宽度,即发出超声波与接收超声波的时间间隔t,因此被测距离S=1/2vt。若对测距精度要求较高,可采用温度补偿法进行修正。超声测距适用于中、远距离的高精度测量。
本文主要从超声波与可听声波的特性比较入手,探讨了超声波传感器的原理和特点,并由此总结出超声波传感器在生产和生活各方面的广泛应用。但超声传感器本身也有其缺陷,如反射问题、噪声问题等。所以对于超声传感器的深入研究和学习,仍有很大的价值和意义。
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