第9章超声波传感器

1、第第9 9章章 超声波传感器超声波传感器 C C9.1 9.1 超声波及其性质超声波及其性质19.2 9.2 超声波发生法与振动因子的设计超声波发生法与振动因子的设计9.3 9.3 超声波传感器的结构超声波传感器的结构39.4 9.4 超声波传感器的基本电路超声波传感器的基本电路4259.5 9.5 超声波传感器的应用超声波传感器的应用概述概述 超声技术是一门以物理、电子、机械及材超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要使用的通用技术料学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。之一。我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃，我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃，目前

2、超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机目前超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。 9.1 超声声波及其性质质9.1.1 9.1.1 超声波的频率范围超声波的频率范围 人听到响声是由于乐器的振动，经过周围人听到响声是由于乐器的振动，经过周围的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经感受到响声。感受到响声。音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决于振幅的大小。一般人耳

3、可听见的声波数范围于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围为为16Hz20KHz16Hz20KHz，但此频率范围的界限与音的，但此频率范围的界限与音的强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音范围大致可绘成如果范围大致可绘成如果9-19-1所示的关系图。所示的关系图。9.1 超声声波及其性质质超声波的声波数下限当然也不易决定，超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将通常将20K20KHzHz以上的音波称为超声波以上的音波称为超声波（Ultrasonic waveUltrasonic wave）。但）。但是听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配是听到、听

4、不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合使用，也将频合使用，也将频 率降至率降至10KHz10KHz， 但有时也可能但有时也可能 将频率升到将频率升到 1000MHz 1000MHz。图图9-1 9-1 人耳感音频率范围人耳感音频率范围9.1 超声声波及其性质质9.1.29.1.2超声波的种类超声波的种类超声波的发射方式不同分为五类超声波的发射方式不同分为五类 图（图（a a）纵波，介质粒子的振动）纵波，介质粒子的振动与波的进行方向一致，专供强与波的进行方向一致，专供强力超声波的运用。力超声波的运用。 图图(b)(b)为纵波，比起图为纵波，比起图(a)(a)的纵波，的纵波，波速慢了许多，主要是因为

5、此波速慢了许多，主要是因为此类纵波是在直径较小的棒中传输。类纵波是在直径较小的棒中传输。9.1 超声声波及其性质质 图图(c)(c)为横波，介质粒子的振动为横波，介质粒子的振动与垂直波的进行方向一致，常与垂直波的进行方向一致，常用于超声波探勘计等的计测。用于超声波探勘计等的计测。 图图(d)(d)为表面波为表面波 图图(e)(e)为弯曲波，在沿波进行方为弯曲波，在沿波进行方向的中心线上介质粒子进行横向的中心线上介质粒子进行横振动，接近介质表面的粒子进振动，接近介质表面的粒子进行压缩、伸张运动。行压缩、伸张运动。9.1 超声声波及其性质质9.1.39.1.3超声波的波速与波长超声波的波速与波长超

6、声波的波速超声波的波速C、波长、波长、频率、频率f之间有下列关系之间有下列关系： C = f超声波在各种介质中的波速是不同的。超声波在各种介质中的波速是不同的。9.1 超声声波及其性质质9.1.49.1.4超声波的损失超声波的损失随着距离的增加波面会扩大，从而造成扩散损失。随着距离的增加波面会扩大，从而造成扩散损失。超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般称为吸收损失，也称衰减。量的损失。一般称为吸收损失，也称衰减。频率愈低的超声波衰减愈小。频率愈低的超声波衰减愈小。9.1.5 超声声波的指向性9.1.5 9.1.5 超声波的指向性

7、超声波的指向性 如图如图9-59-5所示，使一个半径为所示，使一个半径为R R的圆的圆 板波源呈活塞状振动，发射出具有板波源呈活塞状振动，发射出具有 波长的超声波，则其指向角波长的超声波，则其指向角 可以可以 表示为表示为sinsin = = R R。 例如从直径例如从直径30mm30mm的振动因子，的振动因子， 对油中发射出对油中发射出1MHz 1MHz 的超声波，使的超声波，使 得得 R =10R =10，于是其指向角，于是其指向角 =4=4。可见，欲可见，欲使超声波角度集中，可减小使超声波角度集中，可减小 或增大或增大R R，但但一般以减小一般以减小 居多。居多。 图图9-5 9-5 超

8、声波的指向性超声波的指向性9.1 超声声波及其性质质9.1.6 9.1.6 超声波的反射、透射与折射超声波的反射、透射与折射当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z Z 决定。决定。特性阻抗特性阻抗Z=Z=介质密度介质密度音速音速C C。 9.1 超声声波及其性质质 由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。图图9-6 9-6 超声波的反射与

9、透射超声波的反射与透射假设现在将超声波垂直地射入固有特性假设现在将超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时，如图阻抗不同的交界面时，如图9-6，则音波，则音波的反射率的反射率可用下式表示：可用下式表示： 2121ZZZZ1 1、反射、反射9.1 超声声波及其性质质 图图9-7 9-7 所示为在不同介质间设厚度为所示为在不同介质间设厚度为L L的其它的其它介质，传播超声波时，若将遮断超声波，此介质，传播超声波时，若将遮断超声波，此时的透射率时的透射率T T1 1 为：为： 13122221313224cossinZ ZTZ ZZZKLZKLZ图图9-7 9-7 不同媒质间不同媒质间的反射与透射

10、的反射与透射 超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率而超声波的穿透率T T可以用下式表示：可以用下式表示： 22211222121411ZZZ ZTZZZZ 2 2、透射、透射 9.1 超声声波及其性质质 若邻接中间介质的左右介质相同，即若邻接中间介质的左右介质相同，即Z1Z1Z2 Z2 时，时，则则T1 T1 可简化为：可简化为： 式中式中K=2f/CK=2f/C2 2，Z Z1 1=1 1C C1 1，Z Z2 2=2 2C C2 2，Z Z3 3=3 3C C3 3，f f为超声波的频率。为超声波的频率。1

11、222211244 cossinTZZKLKLZZ9.1 超声声波及其性质质 由上式可推论得知，越增大穿透率由上式可推论得知，越增大穿透率T1T1，可以使，可以使中间层中间层Z2Z2尽量尽量接近接近Z1Z1，而且用，而且用薄板薄板（使（使L L愈小愈小愈好），或厚度为超声波半波长的愈好），或厚度为超声波半波长的整数倍的板整数倍的板。若按此要领设计则若按此要领设计则穿透率穿透率T1T1变成：变成：12211241TZZZZ9.1 超声声波及其性质质 如图如图9-89-8，如果超声波斜着射入固，如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同的交界面时，超声有特性阻抗不同的交界面时，超声波会发生折射，令入射角为

12、波会发生折射，令入射角为 i i，折，折射角为射角为 t t，C C1 1为入射前的波速，为入射前的波速，C C2 2为折射后的波速，其关系可以下式为折射后的波速，其关系可以下式表示：表示： 21sinsinitCC图图9-8 9-8 超声波的折射超声波的折射3 3、折射、折射 9.1 超声声波及其性质质9.1.79.1.7超声波的空洞现象超声波的空洞现象 在液体中发射强力超声波时，若发射的超声波为纵波，在液在液体中发射强力超声波时，若发射的超声波为纵波，在液体中又发生负压过大现象时，负压会将液体拉裂，发生空孔，体中又发生负压过大现象时，负压会将液体拉裂，发生空孔，即空洞现象。即空洞现象。9.

13、1 超声声波及其性质质 在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散, , 即随声波传播即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。声波散射。 吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的, , 介质吸介质吸收声能并转换为热能。收声能并转换为热能。 9.1.8 9.1.8 超声波的衰减超声波的衰减 声波在介质中传播时声波在介质中传播时, , 随着传播距离的增加随着传

14、播距离的增加, , 能量逐渐衰减能量逐渐衰减。能量能量 的衰减决定于声波的扩散、的衰减决定于声波的扩散、 散射和吸收。散射和吸收。 9.1 超声声波及其性质质9.1.99.1.9超声波的干涉超声波的干涉由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些点振动同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种现象称始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种现象称为干涉现象。为干涉现象。9.2 超声声波发发生法与与振动动因子的设计设计 目前较常用的超声波分机械性振动与电气驱目前较常用

15、的超声波分机械性振动与电气驱动两种，在本节将对电气驱动式超声波做详细介动两种，在本节将对电气驱动式超声波做详细介绍。电气驱动式超声波依驱动原理，可分为压电绍。电气驱动式超声波依驱动原理，可分为压电式、电伸缩式、磁伸缩式等三种。式、电伸缩式、磁伸缩式等三种。9.2.1 压电压电式振动动因子 9.2.1 9.2.1 压电式振动压电式振动压电晶体，加入电压后，产生的自由振荡信号。所压电晶体，加入电压后，产生的自由振荡信号。所使用的振动因子材料有三种，分别是水晶、使用的振动因子材料有三种，分别是水晶、RochellRochelle e盐及盐及ADPADP（Am-monium Dihydrogen Ph

16、osphateAm-monium Dihydrogen Phosphate），图），图9-109-10所示为这三类材料的结晶形态。所示为这三类材料的结晶形态。图图9-10 9-10 压电材料的结晶形态压电材料的结晶形态9.2.2 电电伸缩缩式振动动因子图图9- 9-11 电伸缩振动子的振动形态电伸缩振动子的振动形态9.2.2 9.2.2 电伸缩式振动因子电伸缩式振动因子电伸缩材料不同于水晶类压电材料，可烧结任意形电伸缩材料不同于水晶类压电材料，可烧结任意形状、尺寸的振动因子，图状、尺寸的振动因子，图9-119-11所示为所示为6 6种电伸缩式材种电伸缩式材料常用烧结的形状。料常用烧结的形状。9

17、.2.2 电电伸缩缩式振动动因子在电伸缩材料的在电伸缩材料的两电极两电极间加入间加入直流高电压直流高电压并使得并使得正负变化正负变化，此时，此时材料尺寸材料尺寸会有会有伸缩伸缩现象，因此会现象，因此会压缩空气压缩空气，形成，形成振荡振荡，传送出振动信号。电伸缩，传送出振动信号。电伸缩式超声波信号送出的形式和材料的形状有关，其式超声波信号送出的形式和材料的形状有关，其形状不同，所产生的信号振动方式也不同。形状不同，所产生的信号振动方式也不同。经常使用的电伸缩形式的材料有钛酸钡及锆酸钛经常使用的电伸缩形式的材料有钛酸钡及锆酸钛酸铅两种。酸铅两种。9.2.3 磁伸缩缩式振动动因子9.2.39.2.3

18、磁伸缩式振动磁伸缩式振动因子将镍等强磁性体做成棒状，置于磁场中磁化，因子将镍等强磁性体做成棒状，置于磁场中磁化，其长度会沿磁化方向发生变化，此即磁伸缩现象。其长度会沿磁化方向发生变化，此即磁伸缩现象。磁伸缩现象依金属材质的不同，其磁伸缩率各不相磁伸缩现象依金属材质的不同，其磁伸缩率各不相同。较常用的材质有镍、同。较常用的材质有镍、aluferalufer合金（合金（AF AF 合金、合金、ALAL1212、Fe88Fe88）、）、ferriteferrite（铁酸盐）烧结金属。（铁酸盐）烧结金属。9.2.3 磁伸缩缩式振动动因子 综上所述，可将压电、电伸缩、磁伸缩各振动因综上所述，可将压电、电

19、伸缩、磁伸缩各振动因子的特性做比较，如表子的特性做比较，如表9-79-7所示。所示。振动原理压电电伸缩磁伸缩振动子材质水晶钛酸钡锆酸钛酸铅Ni and AluferFerrite最适使用周波数1MHz以上200KHz2MHz50KHz以下100KHz以下电气特性变化效率80%以上80%以上20-25%80%以下最大电气输入（水中）6W/cmcm6-10 W/cmcm6 W/cmcm连续电气输入（水中）3-6 W/cmcm6-10 W/cmcm3-6 W/cmcm表表9-7 9-7 压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性比较压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性比较9.3 超声声波传传感器 利用超声

20、波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的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可称为超声波换能器、探测器或传感器。装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波探头按工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式超声波探头按工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。等，而以压电式最为常用。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压电效应效应来工作的：来工作的： 逆逆压电效应将压电效应将高频电振动高频电振

21、动转换成转换成高频机械振动高频机械振动，从而产生，从而产生超超声波声波，可作为发射探头；，可作为发射探头； 正正压电效应，将压电效应，将超声振动波超声振动波转换成转换成电信号电信号，可用为接收探头。，可用为接收探头。9.3 超声声波传传感器超声波探头结构如图超声波探头结构如图9-139-13所示，主要由压电晶片、所示，主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。吸收块（阻尼块）、保护膜组成。 图图9-13 9-13 压电式超声波传感器结构压电式超声波传感器结构9.4 超声声波传传感器的基本电电路9.4.1 9.4.1 超声波传感器的驱动电路超声波传感器的驱动电路发射用的超声波传感器的驱动方式

22、有自激型与他激型。发射用的超声波传感器的驱动方式有自激型与他激型。1. 1. 自激型驱动电路自激型驱动电路 自激型振荡电路就像石英振子那样，利用超声波传感自激型振荡电路就像石英振子那样，利用超声波传感器自身的谐振特性使其在谐振频率附近产生振荡。器自身的谐振特性使其在谐振频率附近产生振荡。9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-149-14是自激型晶体管振荡电路，其中是自激型晶体管振荡电路，其中MA40A3SMA40A3S是振荡频率为是振荡频率为40kHz40kHz的超声波传感器。的超声波传感器。（a a）基本型）基本型 图图9-14 9-14 自激型晶体管振荡电路自激型晶体管振荡电路 图图

23、9-14(a)是科耳皮兹振荡电路。是科耳皮兹振荡电路。超声波传感器在电感性的频率下超声波传感器在电感性的频率下产生振荡。该振荡频率与串联谐产生振荡。该振荡频率与串联谐振频率不一致，造成这种现象的振频率不一致，造成这种现象的原因是由于反谐振频率对它的影原因是由于反谐振频率对它的影响，具体地讲就是响，具体地讲就是C1、C2的调整的调整会影响会影响fr。9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-14(b)9-14(b)是一个具有振荡是一个具有振荡控制端的自激型晶体管振控制端的自激型晶体管振荡电路。由于它将图荡电路。由于它将图 (a) (a)的的地接到了晶体管地接到了晶体管VT2VT2的集的集电极上

24、，因此当电极上，因此当VT2VT2截止截止时振荡就会停止。时振荡就会停止。（b）振荡可控型）振荡可控型图图9-14 自激型晶体管振荡电路自激型晶体管振荡电路9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-15 9-15 使用运算放大器使用运算放大器的自激放大电路的自激放大电路名称名称图中代号图中代号型号型号备注备注运算放大器U1AMC34082FET输入，两只装电阻器R1、R25%，1/4W碳膜电阻器电容C15%，50V聚酯薄膜电容超声波传感器MA40A3S谐振频率40kHz图图9-159-15是自激型运算放大器振荡放大电路，元件是自激型运算放大器振荡放大电路，元件清单如表清单如表9-59-5所示

25、。所示。碳膜电阻器是用有机粘碳膜电阻器是用有机粘合剂将碳墨、石墨和填合剂将碳墨、石墨和填充料配成悬浮液涂覆于充料配成悬浮液涂覆于绝缘基体上，经加热聚绝缘基体上，经加热聚合而成。它的电性能和合而成。它的电性能和稳定性较差，一般不适稳定性较差，一般不适于作通用电阻器。但由于作通用电阻器。但由于它容易制成高阻值的于它容易制成高阻值的膜，所以主要用作高阻膜，所以主要用作高阻高压电阻器。高压电阻器。 该电路的振荡频率接近串联谐振频率，该电路的振荡频率接近串联谐振频率，因此效率会比自激型晶体管振荡电路高因此效率会比自激型晶体管振荡电路高出许多。出许多。表表9-5 元件清单元件清单9.4 超声声波传传感器的

26、基本电电路2. 2. 他激型驱动电路他激型驱动电路 图图9-169-16为使用时基电路为使用时基电路555555的振荡电路。在他激型驱的振荡电路。在他激型驱动电路中，具有可以自由选择振荡频率的优点，这动电路中，具有可以自由选择振荡频率的优点，这也带来了频率不够稳定的缺点。也带来了频率不够稳定的缺点。振荡频率调整图图9-16 9-16 使用时基电路使用时基电路555555的他激型振荡电路的他激型振荡电路9.4 超声声波传传感器的基本电电路名称名称图中代号图中代号型号型号备注备注定时器集成电路U1NE555 振荡延时电阻R3、R45%，1/4W碳膜电阻电阻R1、R22%，1/4W金属膜电阻晶体管Q

27、12SC181550V、0.1A以上电位器VR1单圈旋转型碳膜电位器电容C1C35%，50V聚酯薄膜电容超声波传感器MA40A3S谐振频率40kHz表表9-9 9-9 元件清单元件清单稳定，误差小，精度高稳定，误差小，精度高，体积小。，体积小。 聚酯薄膜电容是用聚酯薄膜做电容聚酯薄膜电容是用聚酯薄膜做电容两极间的介质两极间的介质. 它与普通电容区别是它与普通电容区别是它可以使体积较小耐压较高它可以使体积较小耐压较高. 9.4 超声声波传传感器的基本电电路555555电路在电路在10kHz10kHz以下时的振荡频率温度系数为以下时的振荡频率温度系数为50ppm/50ppm/，当频率进一步提高时频

28、率温度特性会变差，在当频率进一步提高时频率温度特性会变差，在40kHz40kHz时变为时变为100200 ppm/100200 ppm/。由此推算，当温度变化由此推算，当温度变化1010时频率的变化量约为时频率的变化量约为100Hz100Hz。这。这么大的变化量还不足以影响超声波传感器的正常工作。么大的变化量还不足以影响超声波传感器的正常工作。这里讲的温度系数只是其自身的温度系数，不包括元器件这里讲的温度系数只是其自身的温度系数，不包括元器件温度系数的影响。不过，只要温度系数的影响。不过，只要R1R1、R2R2选用温度系数小的金选用温度系数小的金属膜电阻器，属膜电阻器，C1C1选用温度系数小的

29、聚丙烯薄膜电容器或聚选用温度系数小的聚丙烯薄膜电容器或聚苯乙烯薄膜电容器即可。在宽带域超声波传感器的情况下，苯乙烯薄膜电容器即可。在宽带域超声波传感器的情况下，因为其通频带较宽，所以也可以使用聚酯薄膜电容器。因为其通频带较宽，所以也可以使用聚酯薄膜电容器。频率调整9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-17 9-17 为门电路驱动的电路。图为门电路驱动的电路。图9-17(a)9-17(a)是振荡电路。是振荡电路。4049B4049B内共有内共有6 6个电路，其中的个电路，其中的2 2个电路用于构成振个电路用于构成振荡电路，另外的荡电路，另外的4 4个用于驱动超声波传感器。个用于驱动超声波传

30、感器。(a)(a)基本电路基本电路图图9-17 9-17 由门电路构成的振荡电路由门电路构成的振荡电路9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-17(b)9-17(b)为振荡可控型电路。为振荡可控型电路。4011B4011B构成振荡电路，用构成振荡电路，用NANDNAND电路实现振荡控制。控制电压为电路实现振荡控制。控制电压为H H（高电平）时产生振荡，控（高电平）时产生振荡，控制电压为制电压为L L（低电平）时停止振荡。超声波传感器的驱动是（低电平）时停止振荡。超声波传感器的驱动是4044049B9B来完成的。来完成的。图图9-17(b) 9-17(b) 带有振荡控制的门电路振荡电路带有振

31、荡控制的门电路振荡电路9.4 超声声波传传感器的基本电电路9.4.2 9.4.2 超声波传感器的接收电路超声波传感器的接收电路1. 1.使用运算放大器的接收电路与元件清单使用运算放大器的接收电路与元件清单超声波传感器接收的信号，最大时约为超声波传感器接收的信号，最大时约为1V1V左右；最小时约为左右；最小时约为1mV1mV左右。为了将该电压放大到后续电路易于处理的电压，左右。为了将该电压放大到后续电路易于处理的电压，增益至少也应当达到增益至少也应当达到100100倍以上。倍以上。图图9-189-18为使用运算放大器的放大电路，元件清单如表所示。为使用运算放大器的放大电路，元件清单如表所示。图图

32、9-18 9-18 使用运算放大器的电路（使用运算放大器的电路（100100倍增益）倍增益）9.4 超声声波传传感器的基本电电路名称名称图中代号图中代号型号型号备注备注运算放大器U1AMC34082FET输入，两只装超声波传感器MA40A3R谐振频率40kHz电阻R1R25%，1/4W碳膜电阻器电容C110%，50V陶瓷电容器表表9-10 9-10 元件清单元件清单频率高达频率高达40kHz40kHz，因此运算放大器必须是高速型的。而对，因此运算放大器必须是高速型的。而对于精度和失真度的要求却比较宽容，所以只需要通用型的于精度和失真度的要求却比较宽容，所以只需要通用型的TL080TL080系列

33、和系列和LF356LF356、LF357LF357、MC34080MC34080系列即可。如果增益系列即可。如果增益不足，可以不由不足，可以不由U1AU1A直接输出，而是再增加一级放大器；直接输出，而是再增加一级放大器；而且这时每一级放大器的增益也可以降低到而且这时每一级放大器的增益也可以降低到100100以下。以下。9.4 超声声波传传感器的基本电电路2. 2. 使用视频放大器的接收电路使用视频放大器的接收电路图图9-199-19为使用视频放大器为使用视频放大器LM733LM733的接收电路，元件清单如表的接收电路，元件清单如表所示。所示。LM733LM733的增益可以设定为的增益可以设定为

34、1010倍、倍、100100倍和倍和400400倍；考虑倍；考虑到增益越大其输入阻抗越小，在增益为到增益越大其输入阻抗越小，在增益为100100时使用它。时使用它。9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-19 9-19 使用视频放大器使用视频放大器LM733LM733的放大电路（增益在的放大电路（增益在20002000倍以上）倍以上）增益100倍增益200倍输入和输出均为差放，输入和输出均为差放，所以有必要将差动电压所以有必要将差动电压输出转换成单端输出，输出转换成单端输出，这样就需要使用输出变这样就需要使用输出变压器。这里也可以使用压器。这里也可以使用ST12ST12进行电压放大。进行电

35、压放大。输入端的二极管和输出输入端的二极管和输出端的端的雪崩二极管雪崩二极管都是起都是起保护作用的。保护作用的。在不使用变压器时在不使用变压器时，可以使用运算放，可以使用运算放大器替代变压器大器替代变压器雪崩击穿是雪崩击穿是PN结反向电结反向电压增大到一数值时，载压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一样流子倍增就像雪崩一样，增加得多而快。利用，增加得多而快。利用这个特性制作的二极管这个特性制作的二极管就是雪崩二极管就是雪崩二极管 9.4 超声声波传传感器的基本电电路 表表9-119-11元件清单元件清单名称名称图中代号图中代号型号型号备注备注视频放大器U1LM733超声波传感器MA40A3R谐

36、振频率40kHz二极管D1、D21S1588D3、D405Z5.15.1V的雪崩二极管输出变压器T1ST12电阻R1R35%，1/4W碳膜电阻器电容C110%，50V独石电容器9.4 超声声波传传感器的基本电电路图图9-20 9-20 使用比较器集成电路的放大电路使用比较器集成电路的放大电路名称名称图中代号图中代号型号型号备注备注比较器U1LM393超声波传感器MA40A3R谐振频率40kHz电阻R1R35%，1/4W碳膜电阻器3. 3. 使用比较器的接收电路使用比较器的接收电路图图9-209-20为使用比较器集成电路为使用比较器集成电路LM933LM933的接收电路的接收电路，元件清单如表所

37、示。，元件清单如表所示。9.4 超声声波传传感器的基本电电路比较器和运算放大器一样不进行相位补偿，因此比较器和运算放大器一样不进行相位补偿，因此也可以像运算放大器那样高速运行。也可以像运算放大器那样高速运行。但是，如果将它作为放大器使用，就容易产生自但是，如果将它作为放大器使用，就容易产生自激振荡，因此这里还仅仅把它作为比较器使用，激振荡，因此这里还仅仅把它作为比较器使用，为此，其输出就只取为此，其输出就只取+5V+5V或者或者-5V-5V两个值。由于其两个值。由于其本身属于数字输出，因此使用起来反倒很容易。本身属于数字输出，因此使用起来反倒很容易。另外为了避免噪声，可以通过正反馈的方式给它另

38、外为了避免噪声，可以通过正反馈的方式给它一个很小的、约一个很小的、约1mV1mV的滞后电压。的滞后电压。9.5 超声声波传传感器的应应用9.5 超声声波传传感器的应应用9.5 超声声波传传感器的应应用1.1.超声波流量传感器超声波流量传感器 v vD D管道管道超声波传感器超声波传感器1 1超声波传感器超声波传感器2 2超声波传感器安装位置超声波传感器安装位置q q超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的，超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管

39、道流体的截面积，便可知道流体的流量。流体的流量。 9.5 超声声波传传感器的应应用 超声波传感器安装在管道的外部，从管道的外面透过管超声波传感器安装在管道的外部，从管道的外面透过管 壁发射和接收，超声波不会给管内流动的流体带来影响。壁发射和接收，超声波不会给管内流动的流体带来影响。 vcLt1vcLt2一般来说，液体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，一般来说，液体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，因此超声波传播时间差为因此超声波传播时间差为22122vcLvttt由于由于cvcv，从上式便可得到流体的流速，即，从上式便可得到流体的流速，即tLcv229.5 超声声波传传感器的应应用si

40、ncos1vcDtsincos2vcDt 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测流体超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测流体种类很多，不导电的流体。还是高黏度的流体、浆状流体，种类很多，不导电的流体。还是高黏度的流体、浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水论是非、工业用水、农业用水等进行测量。可用来对自来水论是非、工业用水、农业用水等进行测量。还可用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量。还可用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量。实际使用时超声波的传输时间将由下式确定：实际使用时超声波的传输

41、时间将由下式确定：9.5 超声声波传传感器的应应用同侧式超声波流量计的使用同侧式超声波流量计的使用 9.5 超声声波传传感器的应应用2.2.超声波测厚超声波测厚从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔t t。当然也可用稳频。当然也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间间隔晶振产生的时间标准信号来测量时间间隔t t，从而做成厚度数字显示仪表。，从而做成厚度数字显示仪表。 9.5 超声声波传传感器的应应用 超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放一

42、定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速探头接收。如果超声波在工件中的声速 是已知的，是已知的，设工件厚度为设工件厚度为 ，脉冲波从发射到接收的时间间隔，脉冲波从发射到接收的时间间隔t t可以测量，因此可求出工件厚度为可以测量，因此可求出工件厚度为 = =t t/2 /2 手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪9.5 超声声波传传感器的应应用超声波测厚超声波测厚石料测厚石料测厚9.5 超声声波

43、传传感器的应应用超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚木材测厚小提琴小提琴 木料测厚木料测厚9.5 超声声波传传感器的应应用3.3.汽车倒车探测器汽车倒车探测器 （倒车雷达）（倒车雷达） 选用封闭型的发射超声波传感器选用封闭型的发射超声波传感器MA40EISMA40EIS和接收超和接收超声波传感器声波传感器MA40EIRMA40EIR安装在汽车尾部的侧角处，按安装在汽车尾部的侧角处，按如图所示电路装配即可构成一个汽车倒车尾部防撞如图所示电路装配即可构成一个汽车倒车尾部防撞探测器。探测器。 分为超声发射电路、超声接收电路和信号处理电路。分为超声发射电路、超声接收电路和信号处

44、理电路。9.5 超声声波传传感器的应应用超声发射电路由时基电超声发射电路由时基电路路555555组成，组成，555555振荡电振荡电路的频率可以调整，调路的频率可以调整，调节电位器节电位器RPlRPl可将接收可将接收超声波传感器的输出电超声波传感器的输出电压频率调至最大，通常压频率调至最大，通常可调至可调至40kHz40kHz。 超声波接收电路使用超超声波接收电路使用超声波接收传感器声波接收传感器MA40EIRMA40EIR，MA40EIRMA40EIR的输的输出由集成比较器出由集成比较器LM393LM393进行处理。进行处理。LM393LM393输出输出的是比较规范的方波信的是比较规范的方波

45、信号。号。 信号处理电路用集成电路信号处理电路用集成电路LM2901NLM2901N，它原是测量转速用的，它原是测量转速用的ICIC，其内部有，其内部有F/VF/V转换器和比较器，它的输入要求有一定转换器和比较器，它的输入要求有一定频率的信号。频率的信号。 当超声发射器和接收器的位置确定时，移动被测物体的位当超声发射器和接收器的位置确定时，移动被测物体的位置，当倒车时对车尾或车尾后侧的安全构成威胁时，应使置，当倒车时对车尾或车尾后侧的安全构成威胁时，应使LEDLED点燃以示报警，这一点要借助于微调电位器点燃以示报警，这一点要借助于微调电位器RPlRPl进行。进行。调试好发射器、接收器的位置、角

46、度后，再往车后处安装。调试好发射器、接收器的位置、角度后，再往车后处安装。报警的方式可以用红色发光二极管，也可采用蜂鸣器或扬报警的方式可以用红色发光二极管，也可采用蜂鸣器或扬声器报警，采用声光报警则更佳。声器报警，采用声光报警则更佳。9.5 超声声波传传感器的应应用4.超声波超声波多普勒测多普勒测量车速量车速9.5 超声声波传传感器的应应用多普勒效应多普勒效应 前进方向的频率升高前进方向的频率升高 如果波源和观察者之如果波源和观察者之间有相对运动，那么间有相对运动，那么观察者接收到的频率观察者接收到的频率和波源的频率就不相和波源的频率就不相同了，这种现象叫做同了，这种现象叫做多普勒效应。测出多

47、普勒效应。测出 f f 就可得到运动速度。就可得到运动速度。9.5 超声声波传传感器的应应用超声波多普勒测量风速超声波多普勒测量风速风风风引起超声波的频率风引起超声波的频率变大或变小变大或变小9.5 超声声波传传感器的应应用5.5.超声波测距超声波测距 空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间超声波脉冲所需的时间t t，再乘以空气的声速（，再乘以空气的声速（340m/s340m/s），就是），就是超声

48、脉冲在被测距离所经历的路程，除以超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2 2就得到距离。就得到距离。 9.5 超声声波传传感器的应应用6.6.超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 在液罐上方安装空气传导在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得超声波的往返时间，就可测得液体的液面。液体的液面。 9.5 超声声波传传感器的应应用超声波液位计原理超声波液位计原理1 1液面液面 2 2直管直管 3 3空气超声探头空气超声探头 4 4反射小板反射小板 5 5电子开关电子开关 9.5 超声声波传传感器的应应用 喇叭形喇叭形 超声发生器超声发生器

49、9.5 超声声波传传感器的应应用7.7.超声防盗报警器超声防盗报警器 图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率射出频率 f=40kHz40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为域，相对速度为 v，从人体反射回接收器的超声波将由于多，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移普勒效应，而发生频率偏移 f。 9.5 超声声波传传感器的应应用图图9-21 9-21 空间扰动侦测器空间扰动侦测器(a)(a)超声波发射电路超声波发射电路9.5.1 9.5.1 空间

50、扰动侦测器空间扰动侦测器如图如图9-219-21所示，为利用超声波原理制成的空间扰所示，为利用超声波原理制成的空间扰动侦测器，动侦测器，(a)(a)图是超声波发射电路。图是超声波发射电路。9.5 超声声波传传感器的应应用9.5 超声声波传传感器的应应用 该电路利用该电路利用4 4个与非门组成一个个与非门组成一个40KHz40KHz的振荡器，电路中所的振荡器，电路中所使用的发射器，是对使用的发射器，是对40KHz40KHz谐振的超声波发射器，当电路谐振的超声波发射器，当电路中中S S1 1断开时，断开时，Pin 1Pin 1为低电位使为低电位使U U5-a5-a输出为输出为1 1，于是充电电流，

51、于是充电电流经经R R1919，R R18 18 向向C C6 6 充电，经过一段充电时间，使得充电，经过一段充电时间，使得Pin 2Pin 2为高为高电位，由于电位，由于Pin 1Pin 1保持在低电位，所以保持在低电位，所以U U5-a 5-a 输出仍保持高电输出仍保持高电位，所以电路不振荡。位，所以电路不振荡。当当S1S1闭合时，闭合时，Pin 1Pin 1为高电位，又为高电位，又Pin2 Pin2 也为高电位，致使也为高电位，致使U U5-a5-a输出低电位，于是输出低电位，于是C C6 6 开始放电，经过一段放电时间之后，开始放电，经过一段放电时间之后，Pin2 Pin2 电位降为低

52、电位，电位降为低电位，U U5-a5-a 输出恢复高电位，输出恢复高电位，C C6 6又重新充又重新充电，这个振荡电路的输出有两个端子，这两个输出端子的电，这个振荡电路的输出有两个端子，这两个输出端子的输出信号互为反相，可以增加超声波的输出振幅。输出信号互为反相，可以增加超声波的输出振幅。9.5 超声声波传传感器的应应用（b b）超声波接收电路）超声波接收电路图图9-21 9-21 空间扰动侦测器空间扰动侦测器9.5 超声声波传传感器的应应用(b)(b)图为超声波接收电路及警报电路，图中图为超声波接收电路及警报电路，图中VTVT2 2及及VTVT3 3组成组成串级放大电路，负责将串级放大电路，

53、负责将40KHz40KHz接收器所接收到的接收器所接收到的40KHz 40KHz 信信号放大，放大后的号放大，放大后的40KHz40KHz信号，经过信号，经过U U6 6组成的缓冲器，送组成的缓冲器，送至至R R2525、C C8 8整流、滤波而取出一个直流电压。整流、滤波而取出一个直流电压。此电路在使用时可以分别将发射器及接收器安装在欲侦测此电路在使用时可以分别将发射器及接收器安装在欲侦测空间对角，且使接收器能够收到发射器所发射出来的超声空间对角，且使接收器能够收到发射器所发射出来的超声波信号，此时，若空间中没有异物侵入，则接收器能持续波信号，此时，若空间中没有异物侵入，则接收器能持续收到超

54、声波信号。因此经放大，整流出来的电压准位为高收到超声波信号。因此经放大，整流出来的电压准位为高电位，致使比较器的输出为低电位，警报器不响。电位，致使比较器的输出为低电位，警报器不响。当空间中有异物侵入时，将使接收器所接收到的超声波信当空间中有异物侵入时，将使接收器所接收到的超声波信号减弱或中断，此时，经放大，整流出来的电压准位将下号减弱或中断，此时，经放大，整流出来的电压准位将下降或变为低电位、致使比较器的输出为高电位。降或变为低电位、致使比较器的输出为高电位。 9.5 超声声波传传感器的应应用9.5.29.5.2物体检测计物体检测计 使用光学传感器检测物体时，无法检测到透明使用光学传感器检测

55、物体时，无法检测到透明的物体；用红外传感器的情况下，被测对象必的物体；用红外传感器的情况下，被测对象必须是和环境温度不同的物体。然而使用超声波须是和环境温度不同的物体。然而使用超声波传感器，对被测对象没有上述的要求限制。使传感器，对被测对象没有上述的要求限制。使用超声波传感器时有两种检测方式：用超声波传感器时有两种检测方式：直接检测方式直接检测方式 反射检测方式反射检测方式 9.5 超声声波传传感器的应应用直接检测方式是将发射器与接收器相配置，当直接检测方式是将发射器与接收器相配置，当能够直接接收到对面发射来的超声波时，或者能够直接接收到对面发射来的超声波时，或者说接收器有信号电压输出时，就表

56、示没有物体说接收器有信号电压输出时，就表示没有物体在阻挡超声波的传输。在阻挡超声波的传输。反过来，当没有信号电压输出时，就有物体阻反过来，当没有信号电压输出时，就有物体阻挡住了超声波的传输。挡住了超声波的传输。反射检测方式是将发射器与接收器配置在比较反射检测方式是将发射器与接收器配置在比较接近的地方，当能够接收到反射回来的超声波接近的地方，当能够接收到反射回来的超声波9.5 超声声波传传感器的应应用 时，或者说接收器有信号电压输出时，就表示有物时，或者说接收器有信号电压输出时，就表示有物体在反射超声波。体在反射超声波。反射检测方式又分为发射器与接收器是由反射检测方式又分为发射器与接收器是由2

57、2个独立个独立的超声波传感器来完成的分体式、的超声波传感器来完成的分体式、1 1个超声波传感个超声波传感器兼作发射器与接收器的一体式两种形式。器兼作发射器与接收器的一体式两种形式。一体式具有只使用一体式具有只使用1 1个超声波传感器即可的优点；个超声波传感器即可的优点；但是也有需要发射但是也有需要发射/ /接收切换电路、存在过于靠近接收切换电路、存在过于靠近的距离成为无法检测的盲区的缺点。的距离成为无法检测的盲区的缺点。 9.5 超声声波传传感器的应应用1. 1. 直接检测式物体检测电路直接检测式物体检测电路用他激型振荡电路驱动超声波传感器用他激型振荡电路驱动超声波传感器 下图下图9-229-

58、22为使用直接检测方式检测物体的电路，元件清为使用直接检测方式检测物体的电路，元件清单如表所示。单如表所示。其中的发射用超声波传感器的驱动电路是使用时基电路其中的发射用超声波传感器的驱动电路是使用时基电路555555的他激型振荡驱动电路。的他激型振荡驱动电路。可以将频率预设成可以将频率预设成40kHz40kHz，然后再用频率调整电位器，然后再用频率调整电位器VRVR1 1将接收用超声波传感器的输出电压调整到最大。将接收用超声波传感器的输出电压调整到最大。9.5 超声声波传传感器的应应用图图9-22 9-22 直接检测方式的物体检测电路直接检测方式的物体检测电路9.5 超声声波传传感器的应应用名

59、称名称图中代号图中代号型号型号备注备注比较器U2ALM393超声波传感器MA40A3S/RMA40A3S发射，MA40A3R接收时基电路U1NE555专用集成电路U3LM2907N专用集成电路二极管D105Z5.1D21S1588发光二极管LED1TLR143红色电容C1 C510%，50V聚酯薄膜电容20%，50V电解电容电阻5%，1/4W碳膜电阻电位器VR1、VR2单圈旋转型碳膜电位器表表9-13 9-13 元件清单元件清单9.5 超声声波传传感器的应应用用用LM393LM393制作接收电路制作接收电路 对于接收用的超声波传感器对于接收用的超声波传感器MA40A3RMA40A3R的输出电压，的输出电压，使用使用LM393LM393进行放大。进行放大。LM393LM393的输出为矩形。的输出为矩形。用用LM2907NLM2907N进行信号处理进行信号处理 LM393LM393的输出端连接在了转