传感器与检测技术讲义第9章超声波传感器

9等方面，具有良好的社会效益和经济效益。超声波及其性质超声波的频率范围16Hz～20kHz，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9-120kHz以上的音Ultrasonicwav使10kHz1000MHz。

图9-1 人耳感音频率范围根据超声波的发射方式的不同，超声波的种类大致上可分5类，如图9-2所示。图中的纵波LongitudinalWav）又称为压缩波CompressionWav，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。图所示为纵波，比起图中的纵波，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。图所示为横波又称为剪断波波）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。图所示为表面波又称为。图所示为弯曲波FlexuralWav，BendingWav，它是在棒或板的绕曲振动时出现的，在沿波进行方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行压缩、伸张运动。

图9-2 超声波的种类超声波的波速C、波长、频率f之间的关系为C=f×9-1为超声波在各种介质中的波速，图9-33.4×104cm/s1.4×105cm/s，铝中为6.22×105cm/s，如果发射一40kHzC=为空气中：

3.410441041.410541046.221054104

0.86cm3.5cm15.55cm纵波速度介质密度声音阻抗纵波速度介质密度声音阻抗c(×105cm/s)（g/cm3）（×105）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4.9～5.92.5～5.91.81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超声波的损失（。图9-4所示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越低的超声波衰减越小。图9-3 空气、水、金属中的波长及频率 图9-4 超声波的衰减超声波的指向性9-5R可以表示为30mm1MHz的或增大R居多。超声波的反射、透射与折射Z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9-6可用下式表示：Z ZZ2 1Z2 1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：Z Z2T121Z2 1Z2 14ZZ 1 2Z Z22 1图9-5 超声波的指向性 图9-6 超声波的反射与透射表9-2所示为各种介质间的反射率。例如，水至空气之间的反射率为100超声波在水中传播时，完全不会外泄露到空气中。沿交界面法线入射的超声波能量反射率（%）介质变压沿交界面法线入射的超声波能量反射率（%）介质变压空气水电木聚乙烯玻璃水银铅黄铜铜镁镍钢铝器油铝100747242502131418924200钢100898876773116910.34.30.20镍1009089757934191220.8470镁100585419272122036400铜10088877175191370.20黄铜10087866873231050铅10080795562910水银10076756840玻璃100676532400聚乙烯100171210电木10023180水10000变压器油1000空气0如图9-7所示，在不同介质间设厚度为L的其他介质，传播超声波时，若遮断超声波，此时的透射率T1为4ZZ13Z13ZZ2cosKLZ213ZZ13Z2sinKL2221111222333式中，K=2f/C2，Z111222333

=C，Z

=

，Z=C

，f为超声波的频率。若邻接中间介质的左右介质相同，即Z1Z2时，则T1可简化为444cosKLZ22ZZ2sin KL211Z21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越小越好）或厚度为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4Z2ZZZ2ZZ211Z21如图9-8为折射后的波速，其关系可以用下式表示sinsin

C2iCit 1图9-7 不同媒质间的反射与透射 图9-8 超声波的折射超声波的空洞现象9-9所示为空洞的发生示意图。此洗净等工作。

图9-9 空洞的发生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PPIx 0 x

Ie2x0PIx x

为距声源x处的声压和声强；x为声波与声源间的距离；为衰减系数，单位Np/m（奈培/米。超声波的干涉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。由于超声波的干涉，在辐射器的周围将形成一个包括最大和最小的超声场。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见表9-3。表中分机械性振动与电气驱动两种，在本节中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3种。磁伸缩式AF合金Ferrite磁伸缩式AF合金Ferrite机械式Pohlman笛Galton笛Siren10～1005～502～1000.2～250气体、液体、固体液体气体、液体气体、液体驱动方法驱动原理振动子发生周期数/kHz介质20～30000气体、液体、固体压电式水晶Rochelle盐ADP0.2～1000液体、固体电气式电伸缩式钛酸钡0.2～100010～10000液体、固体液体、固体压电式振动因子材料有3Rochelle盐及ADAmmoniumDihydrogenPhosphate，图9-10所9-4为各结晶体的切削角度及其电气特性。图9-10 压电材料的结晶形态电介质常数ε密度周波长常数电介质常数ε密度周波长常数N 压电伸缩常数 电气机械结材料CUT振动样式（e∙s∙u）（g/cm3）（kHz∙cm）（mks）合系数（%）水晶×厚度2.52.652850.059.5Rochelle盐45°×纵3001.771600.0965ADP45°×纵15.51.801600.17728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9-116种电伸缩式材料常用烧结的形状9-11所示，其形状不同，所产生的信号9-5为材料特性及一般用途。图9-11 电伸缩振动因子的振动形态钛酸钡锆酸钛酸铅常数单位密度钛酸钡锆酸钛酸铅常数单位密度Poisson比电介质常数损失系数g/cm3N1N周波长系数2NkHz∙cm3N4C3D77A85.47.67.67.67.80.281.320.320.320.321150450120060015000.010.030.010.010.02308250225235220288184162175164277175159160150252200206220200钛酸钡锆酸钛酸铅钛酸钡锆酸钛酸铅常数电气机械结合系数杨氏系数K31K33d31d33g31g33×10dyne12电压率×10m/V12电压输出系数×10Vm/N5机械性：Q居里温度℃温度系数周波温度系数容量温度系数×105/℃×103/℃400120552.0200290205.0800330202.5800320253.0500260252.8单位C3D77A8径向Kp0.300.300.520.530.55长度方向K31cm20.180.200.300.300.33纵方向K330.480.500.600.620.681.131.030.800.930.861.120.930.770.770.706039109691321400.32231632968101012111426222527注：钛酸钡的周波温度系数在0～60℃，容量温度系数是在20～60℃测定。锆酸钛酸铅分别在20～60℃和20～60℃测定。磁伸缩式振动因子alufer合金AFAL12、Fe88ferrite烧结金属，依金属材质的不同，其磁伸缩率各不相同，图9-129-6为其材料特性。图9-12 各种形态的磁伸缩表9-6 磁伸缩材料的特性比较名称纯镍 AluferFerrite成分Ni98%以上 Fe87%，Al合金Ni—Cu系Ferrite导磁系数40 19020固有电阻（cm）7×106 91×1064×102以上电气机械结合系数（%）20～30 2022密度（g/cm3）8.9 6.75.0波速（m/s）4800 47005700静磁伸缩饱和应变40×106 35×10630×106最适偏移磁场（Oer）10～15 6～1010～15耐蚀性（海水中）良 稍好极佳(1)8.4×103机械强度（kg/cm3）*2×106 *1.4×106(2)4×102(3)9.8×1021））（）抗折强度综上所述，可将压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性做比较，见表9-7。振动原理压电电伸缩钛酸钡磁伸缩振动原理压电电伸缩钛酸钡磁伸缩振动子材质 水晶 NiandAlufer Ferrite锆酸钛酸铅最适使用周波数1MHz以上200kHz～2MHz50kHz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/cm26～10W/cm26W/cm2连续电气输入（水中）—3～6W/cm26～10W/cm23～6W/cm2超声波传感器的结构图图9-13 压电式超声波传感器结构压电式超声波探头常用的材料是压电晶体超声波探头结构如图9-13电晶片、吸收块（阻尼块、保护膜组成。压电。超声波频率f厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。超声波传感器的基本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有自激型与他激型之分。振特性使其在谐振频率附近产生振荡。9-14所示的是自激型晶体管振荡电路，其中MA40A3S40kHz的超声波传感器。图9-14（a）2响，具体地讲就是C1C2激型晶体管振荡电路。由于它将图9-14（a）中的地接到了晶体管VT的集电极上，因此当22VT截止时振荡就会停止。2图9-15 使用运算放大器的自激放大电路图图9-15 使用运算放大器的自激放大电路图9-15所示的是自激型运算放大器振荡放大电路，元件清单见表9-8。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10V/s以上的运算放大器，都可以使用。名称运算放大器电阻器电容超声波传感器名称运算放大器电阻器电容超声波传感器图中代号U1AR1、R2C1型号MC340825%，50VMA40A3S备注FET碳膜电阻器聚酯薄膜电容谐振频率40kHz他激型驱动电路图9-16555表9-9够稳定的缺点。图9-16 使用时基电路555的他激型振荡电路名称图中代号型号备注表名称图中代号型号备注定时器集成电路U1NE555电阻R3 R4、5%，1/4W碳膜电阻电阻R1 R2、2%，1/4W金属膜电阻晶体管VT12SC181550V、0.1A以上电位器VR1单圈旋转型碳膜电位器电容C1 C3～5%，50V聚酯薄膜电容超声波传感器MA40A3S40kHz555电路在10kHz50ppm/温度特性会变差，在40kHz时变为100～200ppm/℃。由此推算，当温度变化10℃时频率的变化量约为R1、R2选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。9-17所示为门电路驱动的电路。图4049B6个4个用于驱动超声波传感器。图4011BNAND电路实现振荡控制。控制电压为高电平低电平4049B来完成的。图9-17 由门电路构成的振荡电路超声波传感器的接收电路使用运算放大器的接收电路超声波传感器接收的信号，最大时约为1V1mV。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9-189-1040kHz，因的TL080系列和LF356、LF357、MC34080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。图9-18使用运算放大器的电路（100倍增益）元件清单名称图中代号型号备注运算放大器U1AMC34082FET输入，两只装超声波传感器MA40A3R谐振频率40kHz电阻R、R1 25%，1/4W碳膜电阻器电容C110%，50V陶瓷电容器使用视频放大器的接收电路图9-19LM733的接收电路，。LM733101004001009-19中那样使用输出变压器。这里也可以使用ST12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器时，可以使用运算放大器替代变压器的方法。使用比较器的接收电路图9-20LM933元件清单见表。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。图9-19使用视频放大器LM733的放大电路（增益在200倍以上）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VD、VD1 21S1588VD、VD3 405Z5.15.1V的雪崩二极管输出变压器T1ST12电阻R～R1 35%，1/4W碳膜电阻器电容C110%，50V独石电容器图9-20 使用比较器集成电路的放大电路名称图中代号型号LM393备注名称图中代号型号LM393备注比较器U1超声波传感器MA40A3R电阻R～R1 35%，1/4W40kHz碳膜电阻器+5V或5V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。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（滞后电压。超声波传感器的应用空间扰动侦测器图9-21所示为利用超声波原理制成的空间扰动侦测器，图440kHz40kHz谐振S1脚为低电位使U5-aR19，R18向C621脚保持在低电位，所以U5-aS12脚也为高电U5-a输出低电位，于是C6脚电位降为低电子的输出信号互为反相，可以增加超声波的输出振幅。图为超声波接收电路及警报电VT2及VT340kHz接收器所接收到的40kHz信号放大，40kHzU6R25、C8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。物体检测计超声波传感器时有如下两种检测方式。直接检测方式：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，就是有物体阻挡住了超声波的传输图9-21 空间扰动侦测器反射检测方式：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两个独立的超声波传感器来完成的分体式，或1具有只使用1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1）直接检测式物体检测电路9-22所示为使用直接检测方式检测物体1的电路，元件清单见表9-13。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VR用超声波传感器的输出电压调整到最大。1用LM393制作接收电路：对于接收用的超声波传感器MA40A3RLM393LM393的输出为矩形。9-22直接检测方式的物体检测电路表9-13 元件清单名称图中代号型号 备注比较器超声波传感器时基电路专用集成电路二极管U2AU1U3VD1VD2LM393MA40A3S/R MA40