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[应用] 超声波传感器的工作原理及应用

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发表于 2017-11-6 22:19:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
超声波传感器的工作原理及应用
人们能听到声音是由于物体振动产生的,它的频率在20HZ-20KHZ范围内,超过20KHZ称为超声波,低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体 中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波,其频率较低,一般为几十KHZ,而在固体、液体中则 频率可用得较高。在空气中衰减较快,而在液体及固体中传播,衰减较小,传播较远。利用超声波的特性,可做成各种超声传感器,配上不同的电路,制成各种超声测量仪器及装置,并在通迅,医疗家电等各方面得到广泛应用。
超声波传感器(也叫“超声波探头”)主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器,发送与接收略有差别,它适用于在空气中传播,工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类超声波传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60,T/R-40-12等 (其中T表示发送,R表示接收,40表示频率为40KHZ,16及12表示其外径尺寸,以毫米计)。另有一种密封式超声波探头(MA40EI型)。它的 特点是具有防水作用(但不能放入水中),可以作料位及接近开关用,它的性能较好。超声波应用有三种基本类型,透射型用于遥控器,防盗报警器、自动门、接近开关等;分离式反射型用于测距、液位或料位;反射型用于材料探伤、测厚等。
由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐 射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测.而实 际使用中,用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
工作程式
若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片(双晶振子)施加40KHz高频电压,则压电陶 瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短,于是发送40KHz频率的超声波,其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制),并传给波接收器。接收器 是利用压力传感器所采用的压电效应的原理,即在压电元件上施加压力,使压电元件发生应变,则产生一面为“+ ”极,另一面为“-”极的40KHz正弦电 压。因该高频电压幅值较小,故必须进行放大。 超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车,其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物,并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告,其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样,在狭窄的地方不管是泊车还是开车, 借助倒车障碍报警检测系统,驾驶员心理压力就会减少,并可以游刃有余地采取必要的动作。
系统构成
由发送传感器 ( 或称波发送器 ) 、接收传感器 ( 或称波接收器 ) 、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振 子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动, 将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测 . 而实际使用中,用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。 控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源 ( 或称信号源 ) 可 用 DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 % 。
工作模式
超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测,也就是常说的无损检测。超声波传感器对透明或有色物体,金属或非金属物体,固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响,包括烟尘环境和雨天。
检测模式
超声波探头主要采用直接反射式的检测模式。位于探头前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回超声波探头的接收器,从而使超声波传感器检测到被测物。
还有部分超声波探头采用对射式的检测模式。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器,两者之间持续保持“收听”。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波,从而超声波传感器将产生开关信号。
检测范围和声波发射角
超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长,频率越小,检测距离越大,如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm 波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6o声波发射角,因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12o至15o的 传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外,我们还有外置探头型的超声波传感器,相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。
应用
在现实生活中,我们不难发现超声波传感器的应用身影。随着科技水平的高速发展,超声波传感器的使用范围也愈来愈广泛。在人类发展史上,超声波传感器的应用无处不在,只要人类可以想象到的地方,它都能涉足一脚。杂交水稻的发现,原子核和氢弹的发现,大大缩短了我国和其他先进国家的距离,为我国的经济注入了活力。超声波传感器应用如此广泛,你真正知道它的原理和应用范围吗?
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声波探鱼器:超声波测量技术其原理很简单,说得高档点的名称叫“多普拉效应”,山村孩童便叫“回音”,就如在一山谷叫一声“你好吗”,不一会听见好像有人学你的说话一样“你...好...吗...”。人们正由此点,开发出超声波测量技术。像自然界中,以蝙蝠都可算为代表了,在蝙蝠洞里既要觅食,又要用声波测距,而要在洞内用超声波测距是一件很困难的事情,很先进的科技产品也做不到。
超声波探头在医学检测上的应用:B超用于检测液位的超声波传感器:
●声波漫反射式接近传感器用于检测液位。
●声波反射式设计用于检测远处的目标。
●声波接近传感器可有模拟量输出,可适用于精确的连续控制。
●模拟量输出信号和被测物距离的线性斜率可调,满足各种控制要求。
●声波接近传感器可有两个开关点设置,并可通过按钮方便的设置。
●方形和原柱形设计满足不同的现场安装要求。
超声波探头在质检方面的应用——超声波探伤仪超声波探伤仪主要应用于金属工件内部的质量检测,如检测金属是否有气泡,焊接部位是否有未焊透等缺陷等。现以超声波电子束焊缝检测系统为例来说明超声波探伤仪的应用
超声波传感器在各国无不受到各界人士的喜爱。对于高科技这个词,我们并不陌生,电脑,手机等的使用,已使我国进入了科技时代。超声波探鱼器可以让人们探索到地下何处有水源,水中何处鱼群较多;B超中的超声波探测器可以让妈妈们看到腹中的孩子;除此之外,超声波传感器还可以用于医疗等机构,可以化疗癌症等疾病。通过上文的介绍,相信大家已经对超声波传感器有了详细的认识吧!


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