超聲波傳感器的工作原理及應用

WWW.SANMUKEYI.COM  三木科儀  2017-11-06 09:15:46  點擊:

超聲波傳感器的工作原理及應用

人們能聽到聲音是由於物體振動產生的,它的頻率在20HZ-20KHZ範圍內,超過20KHZ稱為超聲波,低於20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。

超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體 中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現象,並且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波,其頻率較低,一般為幾十KHZ,而在固體、液體中則 頻率可用得較高。在空氣中衰減較快,而在液體及固體中傳播,衰減較小,傳播較遠。利用超聲波的特性,可做成各種超聲傳感器,配上不同的電路,製成各種超聲測量儀器及裝置,並在通迅,醫療家電等各方麵得到廣泛應用。

超聲波傳感器(也叫“超聲波探頭”)主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器,它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉變成電能,所以它可以分成發送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發送,也能作接收。這裏僅介紹小型超聲波傳感器,發送與接收略有差別,它適用於在空氣中傳播,工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類超聲波傳感器適用於測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60,T/R-40-12等 (其中T表示發送,R表示接收,40表示頻率為40KHZ,16及12表示其外徑尺寸,以毫米計)。另有一種密封式超聲波探頭(MA40EI型)。它的 特點是具有防水作用(但不能放入水中),可以作料位及接近開關用,它的性能較好。超聲波應用有三種基本類型,透射型用於遙控器,防盜報警器、自動門、接近開關等;分離式反射型用於測距、液位或料位;反射型用於材料探傷、測厚等。

由發送傳感器(或稱波發送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控製部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量並向空中輻 射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產生機械振動,將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對發送的超進行檢測.而實 際使用中,用作發送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子。控製部分主要對發送器發出的脈衝鏈頻率、占空比及稀疏調製和計數及探測距離等進行控製。

工作程式 

若對發送傳感器內諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓,則壓電陶 瓷片就根據所加高頻電壓極性伸長與縮短,於是發送40KHz頻率的超聲波,其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控製電路調製),並傳給波接收器。接收器 是利用壓力傳感器所采用的壓電效應的原理,即在壓電元件上施加壓力,使壓電元件發生應變,則產生一麵為“+ ”極,另一麵為“-”極的40KHz正弦電 壓。因該高頻電壓幅值較小,故必須進行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車,其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物,並及時發出警告。所設計的檢測係統可以同時提供聲光並茂的聽覺和視覺警告,其警告表示是探測到了在盲區內障礙物的距離和方向。這樣,在狹窄的地方不管是泊車還是開車, 借助倒車障礙報警檢測係統,駕駛員心理壓力就會減少,並可以遊刃有餘地采取必要的動作。

係統構成 

由發送傳感器 ( 或稱波發送器 ) 、接收傳感器 ( 或稱波接收器 ) 、控製部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振 子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量並向空中輻射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產生機械振動, 將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對發送的超進行檢測 . 而實際使用中,用發送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子。 控製部分主要對發送器發出的脈衝鏈頻率、占空比及稀疏調製和計數及探測距離等進行控製。超聲波傳感器電源 ( 或稱信號源 ) 可 用 DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 % 。

工作模式 

超聲波傳感器利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測,也就是常說的無損檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體,金屬或非金屬物體,固體、液體、粉狀物質均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環境條件的影響,包括煙塵環境和雨天。

檢測模式 

超聲波探頭主要采用直接反射式的檢測模式。位於探頭前麵的被檢測物通過將發射的聲波部分地發射回超聲波探頭的接收器,從而使超聲波傳感器檢測到被測物。

還有部分超聲波探頭采用對射式的檢測模式。一套對射式超聲波傳感器包括一個發射器和一個接收器,兩者之間持續保持“收聽”。位於接收器和發射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發射的聲波,從而超聲波傳感器將產生開關信號。

 檢測範圍和聲波發射角 

超聲波傳感器的檢測範圍取決於其使用的波長和頻率。波長越長,頻率越小,檢測距離越大,如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測範圍為300~500mm 波長大於5mm的傳感器檢測範圍可達8m。一些傳感器具有較窄的6o聲波發射角,因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發射角在12o至15o的 傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外,我們還有外置探頭型的超聲波傳感器,相應的電子線路位於常規傳感器外殼內。這種結構更適合檢測安裝空間有限的場合。

應用 

在現實生活中,我們不難發現超聲波傳感器的應用身影。隨著科技水平的高速發展,超聲波傳感器的使用範圍也愈來愈廣泛。在人類發展史上,超聲波傳感器的應用無處不在,隻要人類可以想象到的地方,它都能涉足一腳。雜交水稻的發現,原子核和氫彈的發現,大大縮短了我國和其他先進國家的距離,為我國的經濟注入了活力。超聲波傳感器應用如此廣泛,你真正知道它的原理和應用範圍嗎?

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研製而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高於聲波的機械波,由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的,它具有頻率高、波長短、繞射現象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大,尤其是在陽光不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界麵會產生顯著反射形成反射成回波,碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方麵。

超聲波探魚器:超聲波測量技術其原理很簡單,說得高檔點的名稱叫“多普拉效應”,山村孩童便叫“回音”,就如在一山穀叫一聲“你好嗎”,不一會聽見好像有人學你的說話一樣“你...好...嗎...”。人們正由此點,開發出超聲波測量技術。像自然界中,以蝙蝠都可算為代表了,在蝙蝠洞裏既要覓食,又要用聲波測距,而要在洞內用超聲波測距是一件很困難的事情,很先進的科技產品也做不到。

超聲波探頭在醫學檢測上的應用:B超用於檢測液位的超聲波傳感器:

●聲波漫反射式接近傳感器用於檢測液位。

●聲波反射式設計用於檢測遠處的目標。

●聲波接近傳感器可有模擬量輸出,可適用於精確的連續控製。

●模擬量輸出信號和被測物距離的線性斜率可調,滿足各種控製要求。

●聲波接近傳感器可有兩個開關點設置,並可通過按鈕方便的設置。

●方形和原柱形設計滿足不同的現場安裝要求。

超聲波探頭在質檢方麵的應用——超聲波探傷儀超聲波探傷儀主要應用於金屬工件內部的質量檢測,如檢測金屬是否有氣泡,焊接部位是否有未焊透等缺陷等。現以超聲波電子束焊縫檢測係統為例來說明超聲波探傷儀的應用

超聲波傳感器在各國無不受到各界人士的喜愛。對於高科技這個詞,我們並不陌生,電腦,手機等的使用,已使我國進入了科技時代。超聲波探魚器可以讓人們探索到地下何處有水源,水中何處魚群較多;B超中的超聲波探測器可以讓媽媽們看到腹中的孩子;除此之外,超聲波傳感器還可以用於醫療等機構,可以化療癌症等疾病。通過上文的介紹,相信大家已經對超聲波傳感器有了詳細的認識吧!

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