超声传感器:超声波传感器

2021/11/08 12:05 · 传感器知识资讯 ·  · 超声传感器:超声波传感器已关闭评论
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超声传感器:超声波传感器

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超声波传感器
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超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号(通常是电信号)的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。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。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
中文名
超声波传感器
外文名
Ultrasonic sensor
所属类别
传感器 物理学
原 理
超声换能器
适用领域
工业、国防、生物医学
产 地
中国-深圳
目录
1
组成部分
2
性能指标
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工作频率
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工作温度
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灵敏度
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指向性
3
相关应用
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主要应用
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具体应用
4
工作相关
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工作原理
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工作程式
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工作模式
5
系统构成
6
检测方式
7
检测好坏
8
液位测试
9
其他
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区分
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注意事项
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暴露问题
超声波传感器组成部分
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中国制造的超声波传感器
常用的超声波传感器由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头发射、一个探头接收)等。
超声波传感器性能指标
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超声波传感器
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能是不同的,我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括:
超声波传感器工作频率
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。
超声波传感器工作温度
超声波传感器
由于压电材料的居里点一般比较高,特别是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。
超声波传感器灵敏度
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。
超声波传感器指向性
超声波传感器探测的范围
超声波传感器相关应用
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超声波传感器主要应用
超声波传感器
超声波传感技术应用在生产实践的不同方面,而医学应用是其最主要的应用之一,下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易,受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理,我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时,在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时,回声在示波器的屏幕上显示出来,而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。
超声波传感器
在工业方面,超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去,许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍,超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上,“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中,超声波将与信息技术、新材料技术结合起来,将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。超声波距离传感器技术应用超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在不透明的固体中,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。超声波距离传感器可以广泛应用在物位(液位)监测,机器人防撞,各种超声波接近开关,以及防盗报警等相关领域,工作可靠,安装方便, 防水型,发射夹角较小,灵敏度高,方便与工业显示仪表连接,也提供发射夹角较大的探头。
超声波传感器具体应用
一、超声波传感器可以对集装箱状态进行探测。将超声波传感器安装在塑料熔体罐或塑料粒料室顶部,向集装箱内部发出声波时,就可以据此分析集装箱的状态,如满、空或半满等。二、超声波传感器可用于检测透明物体、液体、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不规则物体。但不适用于室外、酷热环境或压力罐以及泡沫物体。三、超声波传感器可以应用于食品加工厂,实现塑料包装检测的闭环控制系统。配合新的技术可在潮湿环如洗瓶机、噪音环境、温度极剧烈变化环境等进行探测。
[1]
四、超声波传感器可用于探测液位、探测透明物体和材料,控制张力以及测量距离,主要为包装、制瓶、物料搬检验煤的设备运、塑料加工以及汽车行业等。超声波传感器可用于流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。使用超声波传感器技术防止踩错踏板日产汽车开发出了防止在要踩刹车时误踩成油门而使车辆加速的功能,使用摄像头和超声波传感器推断出“要在停车场上停车”的情况时,如果驾驶员踩成了油门就会强制刹车。该技术预定在2~3年内实用化。超声波传感器技术就是为了防止在停车场停车时踩错刹车和油门造成事故而开发的。该技术是使用在车辆前后左右各配备一个的四个摄像头和前保险杠、后保险杠各配备四个共八个超声波传感器实现的。4个摄像头沿用显示车辆周围俯瞰影像的“环视显示器”的摄像头。利用摄像头识别出白线等以推断汽车位于停车场,利用超声波传感器测量出汽车与周围障碍物之间的距离来确定刹车时机。防止因踩错刹车和油门而造成事故分两步实施。当驾驶员在停车场想停车时,如果踩成了油门,则首先将车速减至蠕滑速度,用仪表板的图标来提示危险,并响起警报声。如果驾驶员仍继续踩油门而即将撞上墙壁等物体时,则强制刹车。刹车时机为保证汽车在与障碍物相距20~30cm左右时可以停下来。
超声波传感器工作相关
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超声波传感器工作原理
超声波传感器
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,并在通讯,医疗家电等各方面得到广泛应用。
超声波传感器
超声波传感器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。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-16,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传感器(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,从而对发送的超声波信号进行检测.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。
超声波传感器工作程式
超声波传感器
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。
超声波传感器工作模式
超声波传感器
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。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。检测模式超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器,从而使传感器检测到被测物。还有部分超声波传感器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,从而传感器将产生开关信号。检测范围
超声波传感器
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。调节几乎所有的超声波传感器都能对开关输出的近点和远点或是测量范围进行调节。在设定范围外的物体可以被检测到,但是不会触发输出状态的改变。一些传感器具有不同的调节参数,如传感器的响应时间、回波损失性能,以及传感器与泵设备连接使用时对工作方向的设定调节等。重复精度
超声波传感器
波长等因素会影响超声波传感器的精度,其中最主要的影响因素是随温度变化的声波速度,因而许多超声波传感器具有温度补偿的特性。该特性能使模拟量输出型的超声波传感器在一个宽温度范围内获得高达0.6mm的重复精度。输出功能所有系列的超声波传感器都有开关量输出型产品。一些产品还有2路开关量输出(如最小和最大液位控制)。大多数产品系列都能提供具有模拟量电流或是模拟电压输出的产品。噪声抑制金属敲击声、轰鸣声等噪声不会影响超声波传感器的参数赋值,这主要是由于频率范围的优选和已获专利的噪声抑制电路。同步功能
超声波传感器
超声波传感器的同步功能可防干扰。他们通过将各自的同步线进行简单的连接来实现同步功能。它们同时发射声波脉冲,象单个传感器一样工作,同时具有扩展的检测角度。交替工作超声波传感器 超长扫描型以交替方式工作的超声波传感器彼此间是相互独立的,不会相互影响。以交替方式工作的传感器越多,响应的开关频率越低。检测条件超声波传感器特别适合在“空气”这种介质中工作。这种传感器也能在其它气体介质中工作,但需要进行灵敏度的调节。盲区直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体。由此,超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区。传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。温湿度
超声波传感器
空气温度与湿度会影响声波的行程时间。空气温度每上升20oC,检测距离至多增加3.5%。在相对干燥的空气条件下,湿度的增加将导致声速最多增加2%。空气压力常规情况下大气变化±5%(选一固定参考点)将导致检测范围变化±0.6%。大多数情况下,传感器在5Bar压力下使用没有问题。气流气流的变化将会影响声速。然而由最高至10m/s的气流速度造成的影响是微不足道的。在产生空气涡流比较普遍的条件下,例如对于灼热的金属而言,建议不要采用超声波传感器进行检测,因为对失真变形的声波的回声进行计算是非常困难的。标准检测物采用正方形声反射板用于额定开关距离sn的标定。1mm的厚度垂直性:与声束轴线垂直。防护等级外壳可防固体颗粒和防水。IP65:完全防尘;防水柱的侵入。IP67:完全防尘;在恒温下浸入水下1m深处并放置30分钟,能够有效防护。IP69K:基于EN的符合DIN-9泵功能可施行双位置控制,例如一个液位控制系统的泵入泵出功能。当一个被测物远离传感器到达检测范围的远点时,输出动作。当被测物靠近传感器到达检测范围设定的近点时,输出相反的动作。
超声波传感器系统构成
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超声波传感器主要由如下四个部分构成:发送器:通过振子(一般为陶瓷制品,直径约为15 mm)振动产生超声波并向空中幅射。接收器:振子接收到超声波时,根据超声波发生相应的机械振动,并将其转换为电能量,作为接收器的输出。控制部分:通过用集成电路控制发送器的超声波发送,并判断接收器是否接收到信号(超声波),以及已接收信号的大小。电源部分:超声波传感器通常采用电压为DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流电源供电,经内部稳压电路供给传感器工作。
超声波传感器检测方式
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根据被检测对象的体积、材质、以及是否可移动等特征,超声波传感器采用的检测方式有所不同,常见的检测方式有如下四种:穿透式:发送器和接收器分别位于两侧,当被检测对象从它们之间通过时,根据超声波的衰减(或遮挡)情况进行检测。限定距离式:发送器和接收器位于同一侧,当限定距离内有被检测对象通过时,根据反射的超声波进行检测。限定范围式:发送器和接收器位于限定范围的中心,反射板位于限定范围的边缘,并以无被检测对象遮挡时的反射波衰减值作为基准值。当限定范围内有被检测对象通过时,根据反射波的衰减情况(将衰减值与基准值比较)进行检测。回归反射式:发送器和接收器位于同一侧,以检测对象(平面物体)作为反射面,根据反射波的衰减情况进行检测。
超声波传感器检测好坏
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超声波传感器用万用表直接测试是没有什么反映的。要想测试超声波传感器的好坏可以搭一个音频振荡电路,当C1为390OμF时,在反相器⑧脚与⑩脚间可产生一个1.9kHz左右的音频信号。把要检测的超声波传感器(发射和接收)接在⑧脚与⑩脚之间;如果传感器能发出音频声音,基本就可以确定此超声波传感器是好的。注:C1=3900μF时,为1.9kHZ左右;C1=0.O1μF时,约0.76kHZ。
超声波传感器液位测试
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超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。系统采用的超声波传感器的工作频率为40kHz左右。由发射传感器发出超声波脉冲,传到液面经反射后返回接收传感器,测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间,根据媒质中的声速,就能得到从传感器到液面之间的距离,从而确定液面。考虑到环境温度对超声波传播速度的影响,通过温度补偿的方法对传播速度予以校正,以提高测量精度。计算公式为:V=331.5+0.607T (1)式中:V为超声波在空气中传播速度;T为环境温度。S=V ×t/2=V×(t1-t0)/2 (2)式中:S为被测距离;t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差;t1为超声回波接收时刻;t0为超声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻,根据以上公式,用软件编程即可得到被测距离S。由于本系统的MCU选用了具有SOC特点的混合信号处理器,其内部集成了温度传感器,因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。
超声波传感器其他
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超声波传感器区分
超声波传感器与声纳传感器的区别声纳传感器和超声波传感器是经常听说的两种探测装置,很多人认为这两种是一种传感器,这两种传感器之间有什么区别呢?
高频超声波传感器
声纳传感器直接探测和识别水中的物体和水底的轮廓,声纳传感器发出一个声波信号,当遇到物体后会反射回来,依据反射时间及波型去计算它的距离及位置。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。声纳传感器主要用于探测生物,比如用于探测水底有哪些生物,生物体形有多大等。经常问你听说的用于探测水怪的装置就是声纳传感器。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在不透明的固体中,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。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。在工业方面,超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。超声波传感器在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。
超声波传感器注意事项
1:为确保可靠性及长使用寿命,请勿在户外或高于额定温度的地方使用传感器
[2]
。2:由于超声波传感器以空气作为传输介质,因此局部温度不同时,分界处的反射和折射可能会导致误动作,风吹时检出距离也会发生变化。因此,不应在强制通风机之类的设备旁使用传感器。3:喷气嘴喷出的喷气有多种频率,因此会影响传感器且不应在传感器附近使用。4:传感器表面的水滴缩短了检出距离。5:细粉末和棉纱之类的材料在吸收声音时无法被检出(反射型传感器)。6:不能在真空区或防爆区使用传感器。7:请勿在有蒸汽的区域使用传感器;此区域的大气不均匀。将会产生温度梯度,从而导致测量错误。
超声波传感器暴露问题
超声波传感器应用起来原理简单,也很方便,成本也很低。但是超声波传感器都有一些缺点,比如,反射问题,噪音,交叉问题。反射问题如果被探测物体始终在合适的角度,那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是,在实际使用中,很少被探测物体是能被正确的检测的。其中可能会出现几种误差:三角误差当被测物体与传感器成一定角度的时候,所探测的距离和实际距离有个三角误差。镜面反射这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下,发出的声波被光滑的物体镜面反射出去,因此无法产生回波,也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。多次反射这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到,因此实际的探测值并不是真实的距离值。这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值,用来筛选出正确的读数。噪音虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz,远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如,电机在转动过程会产生一定的高频,轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音,机器人本身的抖动,甚至当有多个机器人的时候,其它机器人超声波传感器发出的声波,这些都会引起传感器接收到错误的信号。这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决,比如发射一组长短不同的音波,只有当探测头检测到相同组合的音波的时候,才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。交叉问题交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。超声波X发出的声波,经过镜面反射,被传感器Z和Y获得,这时Z和Y会根据这个信号来计算距离值,从而无法获得正确的测量。解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。
词条图册
更多图册
参考资料
1.

超声波传感器的应用
.传感器交易网[引用日期2012-12-21]
2.

超声波传感器的使用注意事项
.传感器[引用日期2012-12-21]
超声传感器:超声波传感器  第2张

超声传感器:超声波传感器_1

更多>>超声波传感器
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。
超声波传感器主要用途:
1、汽车防撞雷达、超声波测距系统、超声波接近开关;
2、家用电器、玩具和其它电子设备的遥控装置;
3、防盗、防灾设备的超声波发射和接收装置;
4、驱赶蚊、虫、动物等用途。
超声波传感器的特点:
1、灵敏度高、可靠性强、稳定性好;
2、防尘耐湿、耐高低温、耐冲击、耐振动等严酷环境条件。

超声传感器:超声波传感器  第3张

超声传感器:超声波传感器原理、特点及用途

常用的超声波传感器由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头发射、一个探头接收)等。

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。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。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。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。广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。详细阅读>>

超声传感器:超声波简介与传感器工作原理

我们把频率高于20KHz的声波称为超声波,超声波具有良好的方向性和穿透能力,特别是在水中,传播距离更远。无论是在军事上、农业上还是在生活中都有广泛的应用,可以用来测速度、测距离、消毒杀菌、清洗、焊接等。
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1超声波简介
我们把频率高于20KHz的声波称为超声波,超声波具有良好的方向性和穿透能力,特别是在水中,传播距离更远。无论是在军事上、农业上还是在生活中都有广泛的应用,可以用来测速度、测距离、消毒杀菌、清洗、焊接等。
人耳能听到的超声波频率范围大概是20Hz-20KHz,超声波的频率大于人类听觉上限,因此叫做“超声波”。
超声波与普通声波一样,也具有反射、折射、衍射、散射等特点,但是超声波的波长较短,有的是几厘米,最低可至千分之几毫米。波长越短,声波的衍射特性就越差,可以在介质中稳定地进行直线传播,因此波长较短的超声波具有很强的直线传播能力。众所周知,声音在空气中传播时,会推动空气中的粒子振动做功,而声波功率的大小表示声波做功快慢,在相同环境下,声波的频率越高功率就越大。超声波的频率大于20KHz,因此超声波的功率较高。
超声波主要有两个参数:
频率:F≥Hz(通常把F≥Hz的声波也称为超声波);功率密度:p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p≥0.3w/cm。
超声波具有如下特性:
(1) 超声波具有在气体、液体、固体等介质中进行效传播的能力。(2) 超声波具有很强的传递能量的能力。(3) 超声波具有反射特性,还会产生干涉、叠加和共振现象。(4) 超声波在液体介质中传播时,可在界面上产生空化现象和强烈的冲击。
2超声波用途
超声波在生活中的很多方面都有应用,主要有以下几个方面:
1)医学方面
在医学方面,超声波主要应用为医学诊断与临床治疗。医学诊断中,超声波的主要应用为B超。由于超声波具有反射、折射等特点,如果将超声波发射到人体内,它就会在人体内部发生反射,人体内部各个器官形状大小都不一样,因此反射回来的声波方向、强度等信息也不同,医生通过对反射回来的声波进行分析,再结合一些医学方面的专业知识,就可以知道人体内部的某些部位是否产生病变。
在临床治疗中,超声波主要被用来杀死肿瘤细胞和超声针灸,我们知道超声波的功率很大,利用医学影像技术,将多束超声波聚焦在病变的细胞上,控制好照射的强度和时间,短时间的温度将达到70~100℃,在保护周围组织的同时杀死了病变细胞。
超声针灸就是利用超声波技术来刺激穴位,这种疗法对组织没有损伤,而且具有无痛、无不适应等优点,在治疗小孩子或者一些害怕针灸的患者时有很好的效果。此外,超声波在体外碎石,理疗、牙科等方面也经常使用。
2)超声清洗
超声清洗主要基于空化作用,空化作用总体上就是在有压力和无压力作用时,每一秒都进行着几万次这样的变换,超声波在液体内部不断地进行透射作用,在没有压力作用时,液体内部就会出现真空核泡群,在有压力作用时,真空核泡群在压力的作用下产生强大的冲击力,因此可以带走物体表面的污垢,完成清洗工作。一些表面凹凸不平的器件,或者特别小难以清洗的部件,例如钟表、电子元器件、电路板等都可以达到很好的清洗效果。而且随着超声波频率的升高,空化作用的效果会减弱,因此超声波清理的效果很好却不会伤害到器件表面。
3)超声测距
由于超声波的波长相对较短,具有良好的方向性和穿透能力,能量消耗的比较慢,在介质中传播距离较远。而且超声测距的原理简单,比其他的测距方式都方便容易操作,计算也比较简便,测量精度也能满足要求,因此在一些移动式机器人或者导盲系统中有广泛的应用。
3 超声波传感器1)超声波传感器简介
超声波传感器是根据超声波的一些特性制造出来的,用于完成对超声波的发射和接收,内部的换能晶片受到电压的激励而发生振动产生超声波,超声波的频率高、波长短、方向性好、可以线性传播、对液体或者固体有不错的穿透效果,比如一些不透明的物体,超声波可以穿透几十米,而且它在遇到杂质等等物体时会发生反射现象,从而产生回波。
想要用超声波完成检测工作,必须要有一个既可以发出超声波又可以接收超声波的装置,能实现这样功能的装置我们称为超声波传感器,也叫作超声波换能器或者超声探头。
超声波传感器内部的主要部件是压电晶片,它在受到电压的刺激时就可以发射超声波,然后由接收端进行接收。小功率超声波传感器大多用来进行检测,例如一些导盲、坐姿矫正的产品,应用的就是小功率传感器,大功率的超声波传感器在生活中并不常见。超声波传感器有许多不同的结构,可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头(一个用来发射、一个用来接收)等。
2)超声波传感器工作原理
超声波传感器主要由发送部分、接收部分、控制部分和电源部分构成。
其中,发送部分由发送器和换能器构成,换能器可以将压电晶片受到电压激励而进行振动时产生的能量转化为超声波,发送器将产生的超声波发射出去;
接收部分由换能器和放大电路组成,换能器接收到反射回来的超声波,由于接收超声波时会产生机械振动,换能器可以将机械能转换成电能,再由放大电路对产生的电信号进行放大;
控制部分就是对整个工作系统的控制,首先控制发送器部分发射超声波,然后对接收器部分进行控制,判断接收到的是否是由自己发射出去的超声波,最后识别出接收到的超声波的大小;
电源部分就是整个系统的供电装置。这样,在电源作用下、在控制部分控制下,发送器与接收器两者协同合作,就可以完成传感器所需的功能。
3)超声波发生器
为了方便对超声波的研究和利用,人们设计出了许多种类的超声波发生器,各种发生器中超声波的产生方式不同,有电气方式也有机械方式,所以用途也不尽相同。每一种发生器都有自己的应用范围,但是就目前来讲,被普遍使用的还是压电式超声波发生器。
压电式超声波发生器的关键部分是内部的压电晶片,主要是利用压电晶片的谐振来工作,发生器内部有两个压电晶片和一个共振板。
在发生器的两电极之间外加一个脉冲信号,当外加信号的频率与压电晶片的频率相等时,压电晶片就会发生振动,同时也会带动共振板进行振动,这时就会产生超声波,这就是超声波发生器的发送端;但是如果发生器的两电极之间没有外加脉冲信号,而共振板又接收到了发射的超声波时,就会迫使压电晶片发生振动,然后产生的机械能转换为电信号,这就是超声波发生器的接收端。
4)超声波测距原理
超声波测距的原理十分简单,由超声波的发射端发射一束超声波,在发射的同时,计时开始,发射出去的超声波在介质中传播,声波具有反射特性,当遇到障碍物时就会反射回来,当超声波的接收端接收到反射回来的超声波时,计时停止。介质为空气时,声速为340m/s,根据记录的时间t,利用公式(2.1)计算出发射位置与障碍物之间的距离。
这就是所谓的时间差测距法。超声波测距的原理就是已知超声波在介质中的传播速度,测量出从发射到接收所需的时间,根据测量出的时间来计算出障碍物的距离。因此,超声波测距的原理与回声定位是一样的。
测距的公式如式(2.2)所示:
式中L为测量的距离长度;C为超声波在介质中的传播速度;T为测量出传播时间的一半。
由于超声波的波长相对较短,具有良好的方向性和穿透能力,在用作测量时具有很高的精度,但是仍然有一些因素可以让超声波测距产生误差。
5)超声波测距误差分析
由超声波测距的公式可知,测距时误差产生的原因主要为超声波在介质中的传播速度和测量距离时超声波传播所需要的时间。
假设要求测量距离时的误差小于1mm,已知超声波在空气中的传播速度C=344m/s (20℃室温),忽略掉超声波的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344)≈0.s 即2.907μs。所以,只要保证测距时的时间误差精度在微妙时,就可以让测量误差小于1mm。 超声波的传播速度与介质的密度有关,密度越高的时候超声波的传播速度也就越快,当介质为空气时,空气的密度又与温度有关,因此超声波的传播速度受温度影响。 已知超声波的传播速度与温度的关系如下:式中:r —气体定压热容与定容热容的比值,对空气为1.40,R —气体普适常量,8.314kg·mol-1·K-1,M—气体分子量,空气为28.8×10-3kg·mol-1,T—绝对温度,273K+T℃。 近似公式为: 式中:表示零0℃时的声波传播速度;T表示实际的温度。 另外,在利用超声波测距时还要考虑环境因素,其中最为主要的就是温度的影响,在0℃和30℃时,超声波的速度明显不同。因此,在进行高精度测量时,应考虑到温度变化的影响。

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