超声波传感器

第四章超声传感器及应用技术梁长垠教授ProfessorLiang第五章超声波传感器及应用技术教学目的：1、了解超声波传感器的作用、分类和使用方法；2、熟悉常用超声波传感器的特点及应用范围；4、掌握常用超声波传感器的工作原理及使用方法；5、学会正确选用超声波传感器的方法。教学重点：1、超声波传感器特点与选用；2、超声波传感器原理及接口电路设计方法。教学难点：1、超声波传感器工作原理；2、超声波传感器应用电路分析与设计方法。教学方法：1、引导文教学法2、引探教学法3、头脑风暴法第五章超声波传感器及应用技术问题思考：1、超声波传感器的作用是什么？2、常用的超声波传感器有哪些种？各自的原理是什么?3、何为压电效应？超声波有哪些特性?4、超声波传感器的组成包括哪几个部分？5、超声波传感器的原理是什么？其应用场合有哪些?6、举出10种以上超声波传感器的应用场景。第五章超声波传感器及应用技术第一节超声波传感器定义与分类—超声波传感器概述—超声波传感器分类、结构与特性第二节超声波传感器工作原理—超声波传感器的组成—超声波传感器发射电路—超声波传感器接收电路第三节超声波传感器应用电路分析与训练—倒车雷达系统电路设计与调试—液位测量系统电路设计与调试第五章超声波传感器及应用技术第一节超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述1、声波机械振动在媒质中的传播。（声速、波长、频率关系s=v·t）1830年法国Savart音调极限实验：存在听不到的声音一、超声波传感器概述第一节超声波传感器定义与分类1、声波蝙蝠的飞行本领铁丝直径大于0.34mm不碰撞铁丝直径小于0.07mm碰撞回音定位2、超声波是频率大于20k赫兹的声波。第一节超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述1、声波第一节超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述3、超声波的波型及其传播速度当声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同时，声波的波型也不同。通常有：①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。气体中纵波声速为344m/s4、超声波的反射和折射o介质1介质2折射波反射波入射波′由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即21sinsincc第一节超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述5、超声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为axxaxxeIIePP200式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；x——声波测量点与声源间的距离；α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。第一节超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。第一节超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述第一节超声波传感器定义与分类二、超声波传感器分类、结构与特性1、超声波传感器分类利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波传感器。也称探测器、换能器、探头。•超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。•压电材料：•无机压电材料：分为压电晶体和压电陶瓷•有机压电材料：又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。•压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。•它是利用压电材料的压电效应来工作的。••压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。•当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。第一节超声波传感器定义与分类二、超声波传感器分类、结构与特性2、超声波传感器工作基理••压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。•超声波发送器是利用逆向压电效应制成——即在压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。•超声波接收器是利用正向压电效应制成——即接收到的超声波促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，就产生与超声波频率相同的高频电压。•当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。第一节超声波传感器定义与分类二、超声波传感器分类、结构与特性2、超声波传感器工作基理3、超声波传感器的结构金属壳吸收块保护膜接线片压电晶片导电螺杆超声波探头结构如图所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用：降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。第一节超声波传感器定义与分类空气中用超声波传感器的结构如右图所示，采用双压电陶瓷晶片结构。将双压电陶瓷晶片固定安装在基座上，为了增强其效果，在压电晶片上面加装了锥形振子，最后将其装在金属壳体中并伸出两根引线。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。基座双压电陶瓷晶片锥形振子屏蔽栅外壳3、超声波传感器的结构第一节超声波传感器定义与分类4、超声波传感器的特性(1)频率特性发送超声波接收超声波第一节超声波传感器定义与分类(2)指向性特性第一节超声波传感器定义与分类4、超声波传感器的特性(3)阻抗特性阻抗频率并联谐振串联谐振第一节超声波传感器定义与分类4、超声波传感器的特性•通常发送传感器工作于输出最大的串联谐振频率，而接收传感器工作于接收灵敏度最高的并联谐振频率；通过实验发现，发送传感器的串联谐振频率与接收传感器的并联谐振频率几乎一致。•因此超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附近使用。超声波接收头必须采用与发射头对应的型号，关键是谐振频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。•另外，超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。第一节超声波传感器定义与分类4、超声波传感器的特性(3)阻抗特性5、性能指标（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。第一节超声波传感器定义与分类超声波传感器-性能参数第二节超声波传感器工作原理一、超声波传感器测量系统的组成1、组成超声波传感器发送器接收器电源控制处理电路发送器：将压电晶体的电信号转换成机械波并向空中辐射接收器：将接收到的机械波传给压电晶体将其转换成电信号并向空中辐射控制处理电路：对发射脉冲信号、占空比、计数、探测距离等进行处理与控制超声传感器的中心频率一般有：23、40、75、200、400kHz第二节超声波传感器工作原理一、超声波传感器测量系统的组成2、电路框图超声波发射头超声波接收头振荡电路驱动电路波形变换放大电路控制处理单元显示电源部分发射电路接收电路控制部分电源部分第二节超声波传感器工作原理二、超声波传感器发射电路原理1、组成振荡电路：一般是RC振荡器，产生40kHz方波驱动电路：功率放大器超声波发射头：产生超声波发射信号并向空中辐射超声波发射头振荡电路驱动电路2、各部分作用第二节超声波传感器工作原理三、超声波传感器接收电路原理1、组成放大电路：将接收到的反射波信号高增益放大、检波、再放大到合适电压值。比较电路：波形变换后送显示或报警电路超声波接收头：接收超声波信号2、各部分作用超声波接收头波形变换放大、检波、放大电路第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路1、超声波发送系统电路R110K_LINKey=A90%R21.0kR310kC11.0nFC2100nF10234VCC9VC3100nFC5100nF060VCCR6150k7C410nFU1LMC555CHGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R510MU2LMC555CHGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI211U3A4069BCL_10V5VCC8ControlU3B4069BCL_10VU3C4069BCL_10VU3D4069BCL_10VU3E4069BCL_10VU3F4069BCL_10V1315U4CRYSTAL_VIRTUAL1412控制电路部分振荡电路部分驱动电路部分第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路（1）振荡电路①作用产生40kHz超声波频率信号②实现方式系统的振荡电路利用555产生占空比可调的40kHz方波信号1、超声波发送系统电路第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路1、超声波发送系统电路•采用555定时器构成振荡电路，2脚（6脚）及地之间的电容不断进行充、放电，导致555时基电路处于置位与复位反复交替状态，输出端3脚交替输出高电平与低电平，波形为近似矩形波。第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路1、超声波发送系统电路555多谐振荡电路的脉冲宽度TL由电容C的放电时间来决定：TL≈0.7R2CTH由电容C的充电时间来决定：TH≈0.7（R1+R2）C输出振荡信号的周期为：T=TL+TH频率为：输出脉冲占空比为121f1/1.443/(2)TRRC)2/()(2121RRRRD第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路（2）控制电路①作用与实现方式555的强制复位端4脚由另一个555低频振荡器的输出取反后控制②电路1、超声波发送系统电路第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路（3）驱动电路①作用增大超声波发送头的驱动电流②实现方式采用CMOS六反相器CD4069构成驱动电路为增大驱动电流，可以采用CD4069中两个甚至三个反相器并联的方式实现。1、超声波发送系统电路第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路CD4069为什么两个反相器并联就可以提高驱动能力？此电路结构称为桥式驱动方式，由于超声波传感器具有高阻特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个并联，输出电流加倍，驱动能力当然提高啦！第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送