内蒙古大学传感器与检测技术课件第9章超声波传感器

1、第9章 超声波传感器9.1 超声波及其性质19.2 超声波发生法与振动因子的设计9.3 超声波传感器的结构39.4 超声波传感器的基本电路4259.5 超声波传感器的应用概述 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之一。我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃，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、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。 9.1 超声波及其性质9.1.1 超声波的频率范围 人听到响声是由于乐器的振动，经过周围的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经感受到响声。音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取

2、决于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围为16Hz20KHz，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范围大致可绘成如果9-1所示的关系图。9.1 超声波及其性质超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将20KHz以上的音波称为超声波（Ultrasonic wave）。但是听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合使用，也将频 率降至10KHz， 但有时也可能 将频率升到 1000MHz。图9-1 人耳感音频率范围9.1 超声波及其性质9.1.2超声波的种类超声波的发射方式不同，造成了超声波种类的不同，大致上可 分 为五类，如图所示，图（a）的纵波 （Longitud

3、inal Wave）又称压缩波 （Compression Wave），介质粒子的振 动与波的进行方向一致，专供强力超 声波的运用。 图(b)为纵波，比起图(a)的纵波，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。9.1 超声波及其性质 图(c)为横波（Transverse Wave）又称剪 断波（Shear Wave，S波）介质粒子的 振动与垂直波的进行方向一致，常用于 超声波探勘计等的计测。 图(d)为表面波（Surface Wave）又称 Rayleigh 。 图（e）为弯曲波（Flexural Wave， Bending Wave），在沿波进行方向的中心线上介质粒子进行横

4、振动，接近介质表面的粒子进行压缩、伸张运动。9.1 超声波及其性质9.1.3超声波的波速与波长超声波的波速C、波长、频率f之间有下列关系： C = f表9-1为超声波在各种介质中的波速，图9-3所示为超声波在空气、水、金属中的波长与周期波数的关系，图中以实线和虚线区分超声波的使用范围。9.1 超声波及其性质介质纵波速度105cm/sec密度g/cm3声音阻抗c105铝6.222.651.70钢5.817.84.76镍5.68.94.98镁4.331.740.926铜4.628.934.11黄铜4.438.53.61铅2.1311.42.73水银1.4613.61.93玻璃4.95.92.55.

5、91.81聚乙烯2.671.10.924电木2.591.40.363水1.431.000.143变压器油1.390.920.128空气0.3310.00120.000042表9-1 超声波在各种介质中的速度9.1 超声波及其性质图9-3 空气、水、金属中的波长及频率9.1 超声波及其性质由上所述可知，纵波的音速在常温空气中约3.410 cm/s，在水中为1.410 cm/s，铝中为 6.2210 cm/sec，如果发射一个超声波的频率为40KHz，则可利用C = f求出，超声波在空气中，水中及铝中的波长为：空气中：水中：铝中：9.1 超声波及其性质9.1.4超声波的损失理想情况下，超声波发射出

6、去后，会一边扩大，一边直线前进，只要介质没有吸收超声波的性质，超声波的强度不论传到任何地方都不会减弱。不过实际上超声波的强度随着距离的增加而逐渐减弱，其原因有二：一是随着距离的增加波面会扩大，从而造成扩散损失，另外一方面，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。9.1 超声波及其性质图9-4所示即为超声波在各类介质中的衰减情形，读者在图中将会发现频率愈低的超声波衰减愈小。图9-4 超声波的衰减9.1.5 超声波的指向性9.1.5 超声波的指向性 如图9-5所示，使一个半径为R的圆 板波源呈活塞状振动，发射出具有 波长的超声波，则其指向角可以 表示为si

7、n=R。 例如从直径30mm的振动因子， 对油中发射出1MHz 的超声波，使 得R =10，于是其指向角=4。可见，欲使超声波角度集中，可减小或增大R，但一般以减小居多。 图9-5 超声波的指向性9.1 超声波及其性质9.1.6 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Z 决定。所谓特性阻抗即为介质的密度（）与音速（C）的乘积。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9-6，则音波的反射率可用下式表示： 9.1 超声波及其性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。

8、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T可以用下式表示： 图9-6 超声波的反射与透射9.1 超声波及其性质书中表9-2所示为各种介质的反射率。图9-7 所示为在不同介质间设厚度为L的其它介质，传播超声波时，若将遮断超声波，此时的透射率T1 为： 图9-7 不同媒质间的反射与透射9.1 超声波及其性质若邻接中间介质的左右介质相同，即Z1Z2 时，则T1 可简化为：式中K=2f/C2，Z1=1C1，Z2=2C2，Z3=3C3，f为超声波的频率。9.1 超声波及其性质由上式可推论得知，越增大穿透率T1，可以使中间层Z2尽量接近Z1，而且用薄板（使L愈小愈好），或厚度为

9、超声波半波长的整数倍的板。若按此要领设计则穿透率T1变成：9.1 超声波及其性质如图9-8，如果超声波斜着射入固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i，折射角为t，C1为入射前的波速，C2为折射后的波速，其关系可以下式表示： 图9-8 超声波的折射9.1 超声波及其性质9.1.7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。图9-9所示为空洞的发生示意图。此类现象 具有氧化、搅拌、破坏等各种作用，所以有时超声波也常常用来做氧化、还原反应及洗净等工作。 图9-9 空洞的发生9.1 超声波及

10、其性质9.1.8 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。 其声压和声强的衰减规律为： 、 距声源x处的声压和声强; x 声波与声源间的距离; 衰减系数, 单位为Np/m（奈培/米）。 9.1 超声波及其性质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。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的, 介质吸收声能并转换为热能。 9.1 超声波及其性质9.1.9超声波的干涉如果在一种介质中传播几个声

11、波，于是会产生波的干涉现象。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。两个振幅相同的相干波在同一直线上彼此相向传播时叠加而成的波称为驻波。每相距/2的这些点上，介质保持静止状态，这些点称为节点，节点之间对应介质位移最大的点称为波腹。9.2 超声波发生法与振动因子的设计 目前较常用的超声波发生法大致如下表所示，表中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。驱动方法驱动原理振动子发生周期数KHz介质电

12、气式压电式水晶Rochelle盐ADP20300000.210000.21000气体，液体，固体液体，固体液体，固体电伸缩式钛酸钡锆酸钛酸铅1010000液体，固体磁伸缩式镍AF合金Ferrite10-100气体，液体，固体机械式Pohlman笛550液体Galton笛2100气体，液体Siren0.2250气体，液体9.2.1 压电式振动因子 9.2.1压电式振动因子压电式超声波是利用压电晶体，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、Rochelle盐及ADP（Am-monium Dihydrogen Phosphate），图9-10所示为这三类材料的结晶形态

13、。图9-10 压电材料的结晶形态9.2.1 压电式振动因子表9-4所示为各结晶体的切削角度及其它电气特性。 材料CUT振动样式电介质常数(esu)密度(g/cm3)周波长常数N(KHzcm)压电伸缩常数(mks)电气机械结合系数(%)水晶Rochelle盐ADP4545厚度纵纵2.530015.52.651.771.802851601600.050.090.1779.56528表9-4 压电材料常数9.2.2 电伸缩式振动因子图9-11 电伸缩振动子的振动形态9.2.2电伸缩式振动因子电伸缩材料不同于水晶类压电材料，可烧结任意形状、尺寸的振动因子，图9-11所示为6种电伸缩式材料常用烧结的形状

14、。9.2.2 电伸缩式振动因子在电伸缩材料的两电极间加入直流高电压并使得正负变化，此时材料尺寸会有伸缩现象，因此会压缩空气，形成振荡，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，如图9-11 所示，其形状不同，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酸铅两种。书中表9-5为材料特性及一般用途。9.2.3 磁伸缩式振动因子9.2.3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，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，较常用的材质有镍、alufer合金（AF 合金、AL12、Fe88）、ferrite烧结金属

15、，其磁伸缩率各不相同，图9-12所示为各种形状的磁伸缩式振动因子，表9-6为其材料特性。 9.2.3 磁伸缩式振动因子图9-12 各种形态的磁伸缩9.2.3 磁伸缩式振动因子名称纯镍AluferFerrite成分Ni 98%以上Fe 87%，Al 13%合金NiCu系Ferrite导磁系数4019020固有电阻（cm）710-69110-64102以上电气机械结合系数（%）20302022密谋（g/cm3）8.96.75.0波速（m/sec）480047005700静磁伸缩饱和应变-4010-63510-6-3010-6最适偏移磁场（Oer）10156101015耐蚀性（海水中）良稍好极佳机械

16、强度（kg/cm3）* 210-6* 1.410-6(1) 8.410-3(2)410-2(3) 9.810-2表9-6 磁伸缩材料的特性比较9.2.3 磁伸缩式振动因子综上所述，我们可将压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性做比较，如表9-7所示，供读者参考。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/cmcm

17、6-10 W/cmcm3-6 W/cmcm表9-7 压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性比较9.3 超声波传感器 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。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，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：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。9.3 超声波传感器超声波探头结构如图9-13所示，主要由压电晶片、

18、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。 图9-13 压电式超声波传感器结构9.4 超声波传感器的基本电路9.4.1 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有自激型与他激型之分。1. 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 超声波传感器的基本电路图9-14是自激型晶体管振荡电路，其中MA40A3S是振荡频率为40kHz的超声波传感器。H：振荡L：停振（a）基本型 （b）振荡可控型图9-14 自激型晶体管振荡电路9.4 超声波传感器的基本电路图9-14(a)是科耳皮兹振荡电路。超声波传感器在电感性的频率下产生振荡。该振

19、荡频率与串联谐振频率不一致，造成这种现象的原因是由于反谐振频率对它的影响，具体地讲就是C1、C2的调整会影响fr。图9-14(b)是一个具有振荡控制端的自激型晶体管振荡电路。由于它将图9.9(a)的地接到了晶体管VT2的集电极上，因此当VT2截止时振荡就会停止。9.4 超声波传感器的基本电路图9-15 使用运算放大器的自激放大电路表9-5 元件清单名称图中代号型号备注运算放大器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9-15是自激型运算放大器振荡放大电路，元件清单如表9-5所示。

20、9.4 超声波传感器的基本电路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出许多。该电路中使用的运算放大器是两只封装在一起的摩托罗拉公司的MC34082型集成电路。事实上转换速度只要是在10uV/us以上的运算放大器，都可以使用。9.4 超声波传感器的基本电路2. 他激型驱动电路图9-16为使用时基电路555的振荡电路，元件清单如表9-9所示。在他激型驱动电路中，具有可以自由选择振荡频率的优点，这也带来了频率不够稳定的缺点。振荡频率调整图9-16 使用时基电路555的他激型振荡电路9.4 超声波传感器的基本电路名称图中代号型号备注定时器集成电路U1NE555电阻R3、R

21、45%，1/4W碳膜电阻电阻R1、R22%，1/4W金属膜电阻晶体管Q12SC181550V、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9-9 元件清单9.4 超声波传感器的基本电路555电路在10kHz以下时的振荡频率温度系数为50ppm/，当频率进一步提高时频率温度特性会变差，在40kHz时变为100200 ppm/。由此推算，当温度变化10时频率的变化量约为100Hz。这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，不包括元器件温度系数的影响。不过，只要R1、R2选

22、用温度系数小的金属膜电阻器，C1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，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 超声波传感器的基本电路图9-17 为门电路驱动的电路。图9-17(a)是振荡电路。4049B内共有6个电路，其中的2个电路用于构成振荡电路，另外的4个用于驱动超声波传感器。(a)基本电路图9-17 由门电路构成的振荡电路9.4 超声波传感器的基本电路图9-17(b)为振荡可控型电路。4011B构成振荡电路，用NAND电路实现振荡控制。控制电压为H（高电平）时产生振荡，控制电压为L（低电平）时停止振荡。超声波传感器

23、的驱动是4049B来完成的。图9-17(b) 带有振荡控制的门电路振荡电路9.4 超声波传感器的基本电路9.4.2 超声波传感器的接收电路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1V左右；最小时约为1mV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100倍以上。图9-18为使用运算放大器的放大电路，元件清单如表所示。图9-18 使用运算放大器的电路（100倍增益）9.4 超声波传感器的基本电路名称图中代号型号备注运算放大器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C

24、110%，50V陶瓷电容器表9-10 元件清单频率高达40kHz，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TL080系列和LF356、LF357、MC34080系列即可。如果增益不足，可以不由U1A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100以下。9.4 超声波传感器的基本电路图9-19 使用视频放大器LM733的放大电路（增益在2000倍以上）增益100倍增益200倍9.4 超声波传感器的基本电路2. 使用视频放大器的接收电路图9-19为使用视频放大器LM733的接收电路，元件清单如表所示。LM733的增益可以设定为

25、10倍、100倍和400倍；考虑到增益越大其输入阻抗越小，在增益为100时使用它。因为其输入和输出都采用差动放大方式，所以有必要将差动电压输出转换成单端输出，这样就需要如图中那样使用输出变压器。这里也可以使用ST12进行电压放大。输入端的二极管和输出端的雪崩二极管都是起保护作用的。图中还给出了在不使用变压器时，可以使用运算放大器替代变压器的方法。9.4 超声波传感器的基本电路 表9-11元件清单名称图中代号型号备注视频放大器U1LM733超声波传感器MA40A3R谐振频率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/

26、4W碳膜电阻器电容C110%，50V独石电容器9.4 超声波传感器的基本电路图9-20 使用比较器集成电路的放大电路名称图中代号型号备注比较器U1LM393超声波传感器MA40A3R谐振频率40kHz电阻R1R35%，1/4W碳膜电阻器3. 使用比较器的接收电路图9-20为使用比较器集成电路LM933的接收电路，元件清单如表所示。9.4 超声波传感器的基本电路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。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，为此，其输出就只取+5V或者-5V两个值。由于其本身属于数字输出，因此使用起来反

27、倒很容易。另外为了避免噪声，可以通过正反馈的方式给它一个很小的、约1mV的滞后电压。9.5.1 空间扰动侦测器 图9-21 空间扰动侦测器(a)超声波发射电路9.5.1 空间扰动侦测器如图9-21所示，为利用超声波原理制成的空间扰动侦测器，(a)图是超声波发射电路。9.5 超声波传感器的应用 该电路利用4个与非门组成一个40KHz的振荡器，电路中所使用的发射器，是对40KHz谐振的超声波发射器，当电路中S1断开时，Pin 1为低电位使U5-a输出为1，于是充电电流经R19，R18 向C6 充电，经过一段充电时间，使得Pin 2为高电位，由于Pin 1保持在低电位，所以U5-a 输出仍保持高电位

28、，所以电路不振荡。当S1闭合时，Pin 1为高电位，又Pin2 也为高电位，致使U5-a输出低电位，于是C6 开始放电，经过一段放电时间之后，Pin2 电位降为低电位，U5-a 输出恢复高电位，C6又重新充电，这个振荡电路的输出有两个端子，这两个输出端子的输出信号互为反相，可以增加超声波的输出振幅。9.5 超声波传感器的应用（b）超声波接收电路图9-21 空间扰动侦测器9.5 超声波传感器的应用(b)图为超声波接收电路及警报电路，图中VT2及VT3组成串级放大电路，负责将40KHz接收器所接收到的40KHz 信号放大，放大后的40KHz信号，经过U6组成的缓冲器，送至R25、C8整流、滤波而取

29、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。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降或变为低电位、致使比较器的输出为高电位。 9.5 超声波传感器的应用9.5.2物体检测计 使用光学传感器检测物体时，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

30、要求限制。使用超声波传感器时有两种检测方式：直接检测方式 反射检测方式 9.5 超声波传感器的应用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。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。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9.5 超声波传感器的应用 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。反射检测方式又分为发射器与接收器是由2个独立的超声波传感器来完成的分体式、1个超声波传感器兼作发射器与接收器的一体式两种形式。一体式具

31、有只使用1个超声波传感器即可的优点；但是也有需要发射/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。 9.5 超声波传感器的应用1. 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 下图9-22为使用直接检测方式检测物体的电路，元件清单如表所示。其中的发射用超声波传感器的驱动电路是使用时基电路555的他激型振荡驱动电路。可以将频率预设成40kHz，然后再用频率调整电位器VR1将接收用超声波传感器的输出电压调整到最大。9.5 超声波传感器的应用图9-22 直接检测方式的物体检测电路9.5 超声波传感器的应用名称图中代号型号备注比较器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