第5章(A-1)超声波传感器

第5章（A-1）超声波传感器主要内容一、超声波简介二、超声波的产生三、超声波的特点四、超声波的作用五、超声波传感器六、超声波传感器应用案例主要内容一、超声波简介二、超声波的产生三、超声波的特点四、超声波的作用五、超声波传感器六、超声波传感器应用案例当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。超过20KHZ称为超声波，低于20KHZ称为次声波，常用的超声波频率是几十KHZ到几十MHZ。主要内容一、超声波简介二、超声波的产生三、超声波的特点四、超声波的作用五、超声波传感器六、超声波传感器应用案例声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。主要内容一、超声波简介二、超声波的产生三、超声波的特点四、超声波的作用五、超声波传感器六、超声波传感器应用案例1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2）超声波可传递很强的能量。3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。主要内容一、超声波简介二、超声波的产生三、超声波的特点四、超声波的作用五、超声波传感器六、超声波传感器应用案例利用反射、折射、衍射、散射发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波检测不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。也常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中利用反射、折射、衍射、散射将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及D型四大类。A型：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。B型：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。M型：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。D型：是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔有否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用，随着科学的进步，它将更加完善，将更好地造福于人类。当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大。利用能量特性在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理。咽喉炎.气管炎等疾病,利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够提高疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。利用能量特性利用空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。利用空化作用清洗的超声波应用原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。主要内容一、超声波简介二、超声波的产生三、超声波的特点四、超声波的作用五、超声波传感器六、超声波传感器应用案例超声波传感器可以分为两大类：一类是用电气方式，一类是用机械方式。电气方式主要是由压电晶体构成（锆钛铅酸PZT电致伸缩型、镍铁铝合金磁致伸缩型）；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。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，有的是收发一体集成的。目前较为常用的是电致伸缩型压电式超声波器件。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。如图所示。超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的测定。它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面，将产生反射，折射，绕射，衰减等现象，从而使传播的声时，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。与传统超声技术完全不同，新的超声技术具有以下特点：在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量，环境适应能力强，可实现在线测量。超声波传感器的主要性能指标包括:（1）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。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时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。（3）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:NU40A18TR-1超声波传感器:NU40A18TR-1（1）产品规格：防水型

（塑料壳）（2）产品类型：收发一体（3）中心频率：40±10KHz

（4）声压：100dB

min（5）灵敏度：-80dB

min（6）电容量：1800Pf±20%

（7）余

振：12ms

max（8）最大输入电压：120Vrms

（9）发射角：60°-6dB（10）工作温度：-20°C~+70°C

（11）储藏温度：-40°C~+85°C超声波传感器应用类型有三种基本类型，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。主要内容一、超声波简介二、超声波的产生三、超声波的特点四、超声波的作用五、超声波传感器六、超声波传感器应用案例（一）遥控开关（二）液位指示及控制（三）超声波测距（一）遥控开关超声波遥控开关可以控制家用电器及照明灯。（一）遥控开关发送电路如下：采用小型超声波传感器，工作频率在40KHz,遥控距离纺10M。采用555时基电路组成的振荡器，调整10K电位器，使振荡频率为40KHZ，传感器接在3脚，按下按键时，发送出超声波。（一）遥控开关接收电路如下图：（一）遥控开关接收电路：电源由220V经电容降压、整流、滤波、稳压后获得12V工作电压。由于是非隔离电源，电路外壳封装要绝缘（调试时也要注意）。信号由超声波接收器接收，经VT1、VT2放大（LC谐振在40KHZ）。放大后的信号去触发由VT3、VT4组成的双稳态电路，VT5及LED作为触发隔离，并可发光显示。由于双稳态在开机时有随机性，故加一清零按键。VT5输出的触发信号使双向可控硅导通，负载接通。要让负载断路，须再按一次发送。（二）液位指示及控制由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低，则信号就小。发射电路与遥控器的发送电路一样。（二）液位指示及控制接收电路:接收到的信号经VT1、VT2放大，经过VD1、VD2整流成直流电压。当4.7K上的电压超过VT3的导通电压时，有电流流过VT3，电流表有指示。电流大小与液面有关。（二）液位指示及控制液面控制电路：当液位低于设置值时，比较器输出为低电平，VT不导通，如果液位升到规定位置，比较器翻转，输出高电平，VT导通，J吸合，可通过电磁阀将输液开关关闭，以达到控制的目的（高位控制）（三）超声波测距1、超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（三）超声波测距1、超声波测距原理超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2式中s为测量的距离长度；340为超声波在空气中的传播速度；t/2为测量距离传播的时间差(t/2为发射到接收时间数值的一半)。（三）超声波测距1、超声波测距原理超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用温度传感器进行声波传播速度的补偿后，设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。（三）超声波测距2、超声波测距系统设计制作案例A（三）超声波测距-----制作案例A（1）功能描述超声波测距仪由主机、超声波传感探头，显示器和蜂鸣器四部分组成。它的设计原理与蝙蝠在黑暗里高速飞行而不会撞上障碍物的原理相同。系统一般采用2个传感探头，它作为超声波的发生源同时又是超声波反射回波的传感，检测探头、主机控制器含有单机片，反射信号放大处理电路，显示器和蜂鸣器起声音提示作用，作为辅助装置，当驾驶员倒车操作的同时，可方便获得车后空间情况信息，这时声音报警起提示作用，显示装置也通常与后视镜设计结合在一起，这样可使驾驶人员从后视镜观察车后空间的同时也得到了提示数据，探头工作电压为+5V，主机与探头分开各部分可独力分解装配，安装在汽车的后桥保险杠，数码管显示距离。从而可以使驾驶员准确地分清汽车与后方障碍物的距离。（2）系统框图总硬件电路大体分7个部分：1.核心电路；2.信号放大电路；3.键盘电路；4.显示电路；5.复位电路；6.晶振电路；7.电源电路。核心电路选用的是（MC68HC908JL3）型号的单片机，其有28个脚；显示电路数码管选用七段共阳极数码管（HT-CSR）;数码管限流电阻选用1k炭膜电阻，键盘电路选用3个轻触开关代替；信号放大电路选用NE5532运放集成芯片。整个硬件电路除了电源部分外，全部焊接在一块电路板上。（三）超声波测距-----制作案例A单片机MC68HC908JL3电源电路键盘晶振电路放大电路显示电路复位电路（三）超声波测距-----制作案例A（3）电源电路是常用的线性直流稳压电源，由变压器，1个整流桥集成块，2个0.1UF电容及1个1000UF/25V和一个470UF/25V的电解电容，一个三端集成稳压器7805组成。工作原理：从变压器出来的9V交流电压送入整流桥集成块组成的桥式整流电路,进行整流，整流过后再送两个电容组成的高低频滤波电路进行滤波之后再送入7805进行稳压，这样7805输出端就输出了5V稳定的电压，再进行高低频滤波输出。（三）超声波测距-----制作案例A（三）超声波测距-----制作案例A（三）超声波测距-----制作案例AMC68HC908JL3的28号管脚是芯片的复位管脚，低电平有效，即该管脚上输入低电平是将引起单片机的强制复位。是MC68HC908JL3最简单的复位电路图，当按键S4断开时，输入信号为高电平，当S4被按下时，输入信号为迅速拉低，成为低电平，复位有效。（三）超声波测距-----制作案例A采用了5V的交流蜂鸣器，输出信号通过NPN型三极管9014进行电流信号的放大，三极管采用共射极接法，蜂鸣器接在集电极，这样可以避免当三极管截止时方向漏电流引起的沙沙声，当采用PNP的三极管时，蜂鸣器则应该接在发射极。（三）超声波测距-----制作案例A注：NPN型三极管的集电极反向漏电流比发射极的反向漏电流要小得多，一般在1μA以下；PNP型三极管的集电极反向漏电流则比发射极的反向漏电流要大得多，一般在100μA左右，少数低功耗的甚至达到1mA。（三）超声波测距-----制作案例A输出显示电路部分采用7段4位共阳极数码管（三）超声波测距-----制作案例A本设计的键盘电路如下图所示，因为A口内部设置上拉，当无按键按下时PTA1、PTA2、PTA3的每一个脚都为高电平，这时单片机将反复查询,当查询到的确有键按下时，该口就被拉为低电平，再通过单片机进行处理控制相应的操作。（三）超声波测距---