波式传感器:射线及波式传感器ppt演示文稿.ppt

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波式传感器:射线及波式传感器ppt演示文稿.ppt一、射线式传感器二、超声波传感器三、微波传感器;一、射线式传感器;1、核辐射源—放射性同位素在核辐射传感器中,常采用α、β、γ和X射线的核辐射源,产生这些射线的物质通常是放射性同位素。放射性同位素的特点:在没有外力作用下能自动发生衰变,并释放出上述射线。其衰减规律为:;2、核辐射的物理特性1)核辐射核辐射是放射性同位素衰变时,放

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波式传感器:射线及波式传感器ppt演示文稿.ppt

一、射线式传感器
二、超声波传感器
三、微波传感器;一、 射线式传感器 ;1、核辐射源 — 放射性同位素
在核辐射传感器中,常采用α、β、γ和X射线的核辐射源,产生这些射线的物质通常是放射性同位素。
放射性同位素的特点:在没有外力作用下能自动发生衰变,并释放出上述射线。
其衰减规律为:; 2、核辐射的物理特性
1) 核辐射
核辐射是放射性同位素衰变时,放射出具有一定能量和较高速度的粒子束或射线。主要有四种:α射线、β射线、γ射线和X射线射线。
α、β射线分别是带正、负电荷的高速粒子流;
γ射线不带电,是以光速运动的光子流,从原子核内放射出来;
X射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。
; 2)核辐射与物质的相互作用
核辐射线的吸收、散射和反射
α、β、γ射线穿透过物质程中,一部分粒子能量被物质吸收,一部分粒子被散射掉,能量衰减规律为
式中J、J0分别为射线穿透物质前、后的辐射强度,h为穿透物质的厚度,ρ为物质的密度,am为物质的质量吸收系数。
三种射线中,γ射线穿透能力最强,β射线次之,α射线最弱,γ射线的穿透厚度比α、β要大得多。; 电离作用
当具有一定能量的带电粒子穿透物质时,在它们经过的路程上就会产生电离作用,形成许多离子对,电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。
α粒子(射线)由于能量、质量和带电量大,故电离作用最强,但射程(带电粒子在物质中穿行时、能量耗尽前所经过的直线距离)较短。
β粒子质量小,电离能力比同样能量的α粒子要弱,由于β粒子易于散射,所以其行程是弯曲的。
γ粒子几乎没有直接的电离作用。
; 3、核辐射传感器
核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及α、β、γ和X射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数管、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度,分析气体,鉴别各种粒子等。
1) 电离室
如图,在电离室两侧的互相绝缘的电极上,施极化电压,使两极板间形成电场。在射线作用下,两极板间的气体被电离,形成正离子和电子,带电粒子在电场作用下定向运动形成电流I,在外接电阻上便形成压降。电流I与气体电离程度成正比,电离程度又正比于射线辐射强度,因此,测量电阻R上的电压值就可得到核辐射强度。; 2)盖格计数管
盖格计数管又称为气体放电计数管,其中心有一根与管子绝缘的金属丝作为阳极,管壳内壁涂有导电金属层作为阴极,计数管内充有氩、氮等气体。在两极间加上适当电压,当核辐射进入计数管内后,管内气体被电离。当电子在外电场的作用下向阳极运动时,由于碰撞气体产生次级电子,次极电子又碰撞气体分子,产生新的次级电子,这样次级电子急剧倍增,发生“雪崩”现象使阳极放电。
盖格计数管的特性曲线如下图所示。J1、J2代表入射的核辐射强度,J1>J2。由图可知,在外电压U相同的情况下,入射的核辐射强度越强,盖格计数管内严生的脉冲N越多。盖格计数管常用于探测α射线和β粒子的辐射量(强度)。 ; 3)闪烁计数管
闪烁计数管由闪烁晶体(受激发光物体,常有气体、液体和固体三种,分为有机和无机两类)和光电倍增管组成。当辐射照射到闪烁晶体上,便激发出微弱的闪光,闪光射到光电倍增管上(由于闪光很微弱,必须使用光电倍增管才会有光电流输出),就会在其阳极形成脉冲电流,从而得到与核辐射有关的电信号。 ; 4、核辐射传感的应用举例
核辐射传感器除了用于核辐射的测量外,也能用于气体分析、流量、物位、重量、温度、探伤以及医学等方面。
1.核辐射流量计
核辐射流量计可以检测气体和液体在管道中的流量。如图,在气流管壁上装有如图所示的两个活动电极,其一的内侧面涂覆有放射性物质构成的电离室。当气体流经两电极间时,由于核辐射使被测气体电离,产生电离电流;电离子一部分被流动的气体带出电离室,电离电流减小。随着气流速度的增加,带出电; 2.核辐射测厚仪
核辐射测厚仪是利用射线的散射与物体厚度的关系来测量物体厚度的。下图是利用差动和平衡变换原理测量镀锡钢带镀锡层的厚度测量仪。
图中3、4为两个电离室,电离室外壳加上极性相反的电压,形成相反的栅极电流使电阻R上的压降正比于两电离室辐射强度的差值。电离室3的辐射强度取决于辐射源2的放射线经镀锡钢带镀锡层后的

波式传感器:嵌入式开发-传感器篇

  嵌入式系统应用广泛,在生活中也处处可见到嵌入式设备,小到电视遥控器,电子秤、大到空调设备等等,都是嵌入式系统。
  我想大家也一定思考过这样的问题,比如为什么电子秤可以称出体重,为什么保温电水壶可以保持水的恒温等等?当然这也不说什么很神奇的事情,因为我们都知道电子秤里面有压力传感器,通过压力传感可以把压力信号转化成电信号,这样就可以称出体重了,而电热水壶可以保存水温恒定是因为里面有温度传感器,可以把水温测出来,然后通过控制电热丝加热使水壶里的水保持一定的温度。这些电子设备都是通过使用传感器,才使得变成智能。所以传感器在嵌入式系统中是非常重要的东西,应用也非常多,传感器的使用也是使得嵌入式设备变成得智能的主要手段。
  传感器的作用是把非电信号转换成电信号,使得嵌入式硬件设备可以处理这些电信号,这样就得到了非电信号信息。
  下面我介绍下在嵌入式系统中常用的传感器。
  嵌入式系统常用传感器:
  1.温度传感器
  热敏电阻器是常用的温度传感器,按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感,不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度越高时电阻值越大,负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度越高时电阻值越低,它们同属于半导体器件。
  NTC-MF52
  2.湿度传感器
  湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。
  湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。
  湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。
  湿敏电阻(HR202L)
  湿度模块(DHT11)
  3.可见光传感器
  可见光传感器,是一种对可见光敏感的电子元件,常用的可见光传感器有硅光电池,光敏电阻。
  硅光电池是利用的光电效应,当有光照射到表面后会产生光电流,光线越强,光电流也就越大。
  光敏电阻的特性是光线越强,电阻越小,通过测量电阻可以获取到光强信号。
  硅光电池
  4.红外线传感器
  红外线传感器是利用红外线来进行数据处理的一种传感器,有灵敏度高等优点,红外线传感器可以控制驱动装置的运行。
  红外线传感器常用于无接触温度测量,气体成分分析和无损探伤,在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图,可以发现温度异常的部位。
  常用的红外线传感器有红外接收头(主要用来做红外遥控接收器,红外测距,火焰监测),红外摄像头。
  5.人体红外传感器
  人体红外传感器是用来监测是否有人的,常用的有RE200B。
  RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射,RE200B内置2片热释电基片,并行排列。
  当有人走动时,人体红外辐射到两个热释电基片的能量不想等,RE200B会输出一个电压波动。
  6.压力传感器
  压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。
  压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型,压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。
  压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业
  (1)压阻式力传感器:电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。
  (2)陶瓷压力传感器:陶瓷压力传感器基于压阻效应,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面,连接成一个惠斯通电桥,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等,可以和应变式传感器相兼容。
  (3)扩散硅压力传感器:扩散硅压力传感器工作原理也是基于压阻效应,利用压阻效应原理,被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,利用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
  (4)蓝宝石压力传感器:利用应变电阻式工作原理,采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件,具有无与伦比的计量特性。因此,利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温条件下,也有着很好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外,硅-蓝宝石半导体敏感元件,无p-n漂移。
  (5)压电式压力传感器:压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
  7.磁传感器
  磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中,有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数。
  磁传感器分为三类:指南针、磁场感应器、位置传感器。指南针:地球会产生磁场,如果你能测地球表面磁场就可以做指南针。电流传感器:电流传感器也是磁场传感器。电流传感器可以用在家用电器、智能电网、电动车、风力发电等等。位置传感器: 如果一个磁体和磁传感器相互之间有位置变化,这个位置变化是线性的就是线性传感器,如果转动的就是转动传感器。
  常用的磁传感器有霍尔传感器(主要用来检测磁场强度),地磁芯片(利用地磁来检测方向),干簧管。
  霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,磁场中有一个霍尔半导体片,恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下,I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移,使该片在CD方向上产生电位差,这就是所谓的霍尔电压。霍尔电压随磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低,霍尔电压值很小,通常只有几个毫伏,但经集成电路中的放大器放大,就能使该电压放大到足以输出较强的信号。一个霍尔元件一般有四个引出端子,其中两根是霍尔元件的偏置电流 I 的输入端,另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路,就会产生霍尔电流。一般地说,偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出;若精度要求高,则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度,有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的镀膜合金;这类传感器的霍尔电势较大,但在0.05T左右出现饱和,仅适用在低量限、小量程下使用。
  地磁芯片又叫电子指南针,电子指南针用来测量地球磁场,倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿;MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器,每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值;向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值;向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点,并具有非常低的横轴灵敏度。
  干簧管(Reed Switch)也称舌簧管或磁簧开关,是一种磁敏的特殊开关,是干簧继电器和接近开关的主要部件。干簧管的工作原理非常简单,两片端点处重叠的可磁化的簧片、密封于一玻璃管中,两簧片分隔的距离仅约几个微米,玻璃管中装填有高纯度的惰性气体,在尚未操作时,两片簧片并未接触、外加的磁场使两片簧片端点位置附近产生不同的极性, 结果两片不同极性的簧片将互相吸引并闭合。依此技术可做成非常小尺寸体积的切换组件,并且切换速度非常快速、且具有非常优异的信赖性。
  8.气压传感器
  气压传感器是用于测量气体的绝对压强的仪器,主要适用于与气体压强相关的物理实验,如气体定律等,也可以在生物和化学实验中测量干燥、无腐蚀性的气体压强。
  空气压缩机的气压传感器主要的传感元件是一个对气压传感器内的强弱敏感的薄膜和一个顶针开控制,电路方面它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压力降低或升高时,这个薄膜变形带动顶针,同时该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压,经过A/D转换由数据采集器接受,然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机。
  高精度气压传感器一般是利用MEMS技术在单晶硅片上加工出真空腔体和惠斯登电桥,惠斯登电桥桥臂 两端的输出电压与施加的压力成正比,经过温度补偿和校准后具有体积小,精度高,响应速度快,不受温度变化影响的特点。输出方式一般为模拟电压输出和数字信号输出两种,其中数字信号输出方式由于和单片机连接方便,是市场上的主流。
  9.加速度传感器
  加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中,通过对质量块所受惯性力的测量,利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同,常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。
  压电式:压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应,在加速度计受振时,质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时,则力的变化与被测加速度成正比。
  压阻式:基于世界领先的MEMS硅微加工技术,压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点,易于集成在各种模拟和数字电路中,广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。
  电容式:电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。在某些领域无可替代,如安全气囊,手机移动设备等。电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统(MEMS)工艺,在大量生产时变得经济,从而保证了较低的成本。
  伺服式:伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统,具有动态性 能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理,传感器的振动系统由 "m-k”系统组成,与一般加速度计相同,但质量m上还接着一个电磁线圈,当基座上有 加速度输入时,质量块偏离平衡位置,该位移大小由位移传感器检测出来,经伺服放大器 放大后转换为电流输出,该电流流过电磁线圈,在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力,力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上,所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。
  10.角速度传感器
  角速度传感器是利用陀螺仪的回旋体效应制作而成的用来测量载体的旋转角速度的一种器件。
  陀螺仪在导航中是非常重要的东西,四轴飞行器、船舶、飞机、乃至宇宙飞船都需要配置陀螺仪。
  常用的角速度传感器是3轴陀螺仪芯片。
  11.超声波传感器
  超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(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成回波,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
  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。
  超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压超声波传感器电晶片。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。
  超声波应用范围:
  超声波在医学上的应用: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。
  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。可以测量物体的厚度,还可以用来测量距离。
  12.录音传感器
  录音传感器常用的是录音咪头。
  咪头从工作原理上分为:炭精粒式、电磁式、电容式、驻极体电容式(以下介绍以驻极体式为主)、压电晶体式、压电陶瓷式、二氧化硅式等
  驻极体电容式录音咪头内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动,导致电容的变化,而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压,经过A/D转换被数据采集器接受,并传送给计算机。
  13.气体传感器
  气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。
  “气体传感器”按分类可划分为:半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等。
  常用气体传感器有:烟雾传感器、液化石油气传感器、酒精气敏传感器、甲醛气体传感器
  14.微波雷达传感器
  微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件。包括感应物体的存在、运动速度、距离、角度等信息。
  由发射天线发出的微波,遇到被测物体时将被吸收或反射,使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波,并将它转换成电信号,再由测量电路处理,就实现了微波检测。 微波传感器主要由微波振荡器和微波天线组成。微波振荡器是产生微波的装置。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。由微波振荡器产生的振荡信号需用波导管传输,并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有一致的方向性,天线应具有特殊的构造和形状。
  我们知道,任何波都有反射的特性,当一定频率的波碰到阻挡物的时候,就会有一部分的波被反射回来,如果阻挡物是静止的,反射波的波长就是恒定的,如果阻挡物是向波源运动,反射波的波长就比波源的波长来得短,如果阻挡物是向远离波源的方向运动,反射波的波长就比波源的波长来的长,波长的变化,就意味着频率的变化。微波感应正是通过反射波的变化知道有运动物体逼近或远离的。
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波式传感器: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
?
工作频率
?
工作温度
?
灵敏度
?
指向性
3
相关应用
?
主要应用
?
具体应用
4
工作相关
?
工作原理
?
工作程式
?
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
?
区分
?
注意事项
?
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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语音
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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语音
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。
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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]

波式传感器:轻松看懂40种传感器工作原理

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