超声波传感器的特性

超声波传感器的原理与应用超声波传感器的原理与应用超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波的特征超声波的特征 压电式超声波传感器的基本工作原理压电式超声波传感器的基本工作原理 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波传感器测距的基本原理超声波传感器测距的基本原理 实训实训1：超声波传感器的特性测试：超声波传感器的特性测试超声波的特征超声波的特征 什么是超声波？什么是超声波？人耳可听到的声音频率为人耳可听到的声音频率为20 Hz20 kHz之间。之间。人耳听不到的声波：当频率高于人耳听不到的声波：当频率高于20 kHz的称为超声波；的称为超声波；频率低于频率低于20Hz的称为次声波。的称为次声波。超声波的特征：超声波的特征：超声波为直线传播方式，频率越高，就越接近光超声波为直线传播方式，频率越高，就越接近光学的反射、折射等特性。因此可利用上述性质制成超学的反射、折射等特性。因此可利用上述性质制成超声波传感器。声波传感器。超声波在空气中传播速度较慢，为超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，因此，因此超声波传感器的使用变得非常简单。超声波传感器的使用变得非常简单。超声波的波动模式超声波的波动模式当声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同时，声波的波型也不同。通常有：纵波纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；它能在固体、液体和气体介质中传播；横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。压电式超声波传感器的基本工作原理压电式超声波传感器的基本工作原理 超声波传感器按原理划分有压电式、超声波传感器按原理划分有压电式、磁致伸缩式、磁致伸缩式、电磁式电磁式等等，等等，其中压电式最常用，我们以压电式为代表重点介绍。其中压电式最常用，我们以压电式为代表重点介绍。人们利用压电材料的压电效应制成压电式超声波传感器人们利用压电材料的压电效应制成压电式超声波传感器（由发送器和接收器构成）。（由发送器和接收器构成）。压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。超声波传感器是可逆元件。超声波传感器是可逆元件。超声波发送器是利用逆向压电效应制成超声波发送器是利用逆向压电效应制成即在压电元件即在压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声上施加电压，元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波一疏密波形式传播，传送给超声波接收器。波，超声波一疏密波形式传播，传送给超声波接收器。而超声波接收器是利用正向压电效应制成而超声波接收器是利用正向压电效应制成即接收到的即接收到的超声波促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正超声波促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，就产生与超声波频率相同的高频电压。向压电效应，就产生与超声波频率相同的高频电压。当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。基座基座双压电陶瓷晶片双压电陶瓷晶片锥形振子锥形振子屏蔽栅外壳屏蔽栅外壳空气中用超声波传感器的结构空气中用超声波传感器的结构 如右图所示，采用双压电陶瓷如右图所示，采用双压电陶瓷晶片结构。将双压电陶瓷晶片固定晶片结构。将双压电陶瓷晶片固定安装在基座上，为了增强其效果，安装在基座上，为了增强其效果，在压电晶片上面加装了锥形振子，在压电晶片上面加装了锥形振子，最后将其装在金属壳体中并伸出两最后将其装在金属壳体中并伸出两根引线。根引线。发送超声波时，圆锥形振子有发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。产生高效率的高频电压。超声波传感器的选型超声波传感器的选型 一般市售的超声波传感器有专用型和兼用型两种：一般市售的超声波传感器有专用型和兼用型两种：专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体的传感器，即声波；兼用型就是发送器和接收器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率（即压电元件的中心频率）超声波传感器的谐振频率（即压电元件的中心频率）为为23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz 等。因等。因为超声波在空气中传播时衰减很大，衰减的程度与频率为超声波在空气中传播时衰减很大，衰减的程度与频率成正比，但是谐振频率越高则分辨率也会越高，则检测成正比，但是谐振频率越高则分辨率也会越高，则检测距离变短，所以短距离测量时一般选频率高的传感器距离变短，所以短距离测量时一般选频率高的传感器（100KHZ以上），长距离测距只能选频率低的传感器。以上），长距离测距只能选频率低的传感器。超声波传感器的特性超声波传感器的特性 现以专用的在空气中传播的成对配套使用的超声发射现以专用的在空气中传播的成对配套使用的超声发射器与接收器为例来介绍：器与接收器为例来介绍：通常发送传感器工作于输出最大的串联谐振频率，而通常发送传感器工作于输出最大的串联谐振频率，而接收传感器工作于接收灵敏度最高的并联谐振频率；通过接收传感器工作于接收灵敏度最高的并联谐振频率；通过实验我们发现，发送传感器的串联谐振频率与接收传感器实验我们发现，发送传感器的串联谐振频率与接收传感器的并联谐振频率几乎一致。的并联谐振频率几乎一致。因此超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附因此超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附近使用。超声波接收头必须采用与发射头对应的型号，关近使用。超声波接收头必须采用与发射头对应的型号，关键是谐振频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收键是谐振频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。效果，甚至无法接收。另外，超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要另外，超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。超声波传感器的特性超声波传感器的特性 本系统所使用的发射器和接收器是以中心频率（或谐振频本系统所使用的发射器和接收器是以中心频率（或谐振频率）和直径为参数来划分：其型号为率）和直径为参数来划分：其型号为TCT40-16T和和TCT40-16R，其中其中40表示传感器工作的中心频率（或谐振频率）为表示传感器工作的中心频率（或谐振频率）为40kHz，16表示传感器的外形直径为表示传感器的外形直径为16mm，在发射头和接收头上，我，在发射头和接收头上，我们会看到们会看到T和和R字样，就是分别对应发射器和接收器。字样，就是分别对应发射器和接收器。TCT40-16T发射头一般来讲工作电压可以到发射头一般来讲工作电压可以到100V左右；左右；所发射的超声波采用固定的中心频率（或谐振频率）为所发射的超声波采用固定的中心频率（或谐振频率）为40kHz的波形驱动，的波形驱动，且占空比要求为且占空比要求为50%；两个引脚没有正负（因为；两个引脚没有正负（因为是交流驱动发射），真要分个正负的话就把有接外壳的那个脚是交流驱动发射），真要分个正负的话就把有接外壳的那个脚接到应用电路的地（这样输出信号是对地的）。接到应用电路的地（这样输出信号是对地的）。这种传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处这种传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处灵敏度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器灵敏度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器的接收灵敏度最高，的接收灵敏度最高，而在中心频率两侧则迅速衰减。而在中心频率两侧则迅速衰减。超声波传感器的常用检测方式超声波传感器的常用检测方式 穿透式超声波传感器的检测方式穿透式超声波传感器的检测方式 当物体在发射器与接收器之间通过时，检测超声当物体在发射器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况，从而判断有无物体通过。这种波束衰减或遮挡的情况，从而判断有无物体通过。这种检测方式除一般物体外，还可以检测透明体。检测方式除一般物体外，还可以检测透明体。反射式超声波传感器的检测方式反射式超声波传感器的检测方式 当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测设定当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测设定距离内物体放射波的方式，从而判断在设定距离内有无距离内物体放射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。物体通过。当被检测物体的检测面是平面时，可检测透明体。当被检测物体的检测面是平面时，可检测透明体。当被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则当被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。有时不能检测到被测物体。实训实训1：超声波传感器的特性测试：超声波传感器的特性测试 实训目的：实训目的：掌握超声波测距传感器学会基本的测试使用方法。掌握超声波测距传感器学会基本的测试使用方法。了解超声波传感器的幅频特性，确定其此超声波传感了解超声波传感器的幅频特性，确定其此超声波传感器的中心频率（或谐振频率）器的中心频率（或谐振频率）实训条件：实训条件：TCT40-16T/R超声波传感器一套、信号发生器一台、超声波传感器一套、信号发生器一台、示波器一台，直尺一把示波器一台，直尺一把 实训实训1：超声波传感器的特性测试：超声波传感器的特性测试 实训方法：实训方法：一、设置实验环境：一、设置实验环境：步骤步骤1：调节信号发生器输出方波信号，其峰峰值可在：调节信号发生器输出方波信号，其峰峰值可在2V10V范围调整，频率可在范围调整，频率可在30K49K范围内连续可调范围内连续可调整，要求通过示波器确认信号幅度及频率输出情况。整，要求通过示波器确认信号幅度及频率输出情况。步骤步骤2：将方波信号输出端子接到超声波传感器发射头的两：将方波信号输出端子接到超声波传感器发射头的两个输入引脚，将示波器的接地端子和信号端子分别连接个输入引脚，将示波器的接地端子和信号端子分别连接超声波传感器接收头的两个输出引脚。超声波传感器接收头的两个输出引脚。步骤步骤3：固定发射头与接收头的间距为：固定发射头与接收头的间距为10cm，并将发射头，并将发射头对准接收头，准备测试接收头接收到的同频信号电压。对准接收头，准备测试接收头接收到的同频信号电压。实训实训1 1：超声波传感器的特性测试：超声波传感器的特性测试信号发生器示波器发射头接收头TR探头实训实训1：超声波传感器的特性测试：超声波传感器的特性测试二、测试超声波传感器的幅频特性：二、测试超声波传感器的幅频特性：步骤步骤1：调节信号发生器输出方波信号的峰峰值为：调节信号发生器输出方波信号的峰峰值为10V，本，本测试要保证输出幅度恒定的情况下进行。测试要保证输出幅度恒定的情况下进行。步骤步骤2：调节方波信号的频率，使其在：调节方波信号的频率，使其在30K49K范围内变范围内变化，用示波器观察超声波接收头的输出信号波形，记下化，用示波器观察超声波接收头的输出信号波形，记下的值。请按照如下表格设置的频率数据要求进行测试，的值。请按照如下表格设置的频率数据要求进行测试，总计测试总计测试30对数据。对数据。注意：要求测试每对数据时，要求先用示波器准确调试信注意：要求测试每对数据时，要求先用示波器准确调试信号发生器输出的方波信号后，再驱动发射头，测试接收号发生器输出的方波信号后，再驱动发射头，测试接收头产生的同频信号电压。头产生的同频信号电压。实训作业实训作业1：分析：分析30对记录数据，绘制输出对记录数据，绘制输出f 关系曲线，得关系曲线，得出超声波传感器幅频特性结论。并确定其中心频率。出超声波传感器幅频特性结论。并确定其中心频率。PPVPPVPPV实训实训1：超声波传感器的特性测试：超声波传感器的特性测试f(kHz)30K31K32K33K34K35K35.5K36K36.5K37K (V)f(kHz)37.5K38K38.5K39K39.5K40K40.5K41K41.5K42K (V)f(kHz)42.5K43K43.5K44K44.5K45K46K47K48K49K (V)PPVPPVPPV表表1 1：测试超声波传感器的幅频特性：测试超声波传感器的幅频特性实训实训1：超声波传感器的特性测试：超声波传感器的特性测试三、在中心频率下测试超声波传感器的传输特性：三、在中心频率下测试超声波传感器的传输特性：步骤步骤1：调节信号发生器输出方波的频率为中心频率，本测试要：调节信号发生器输出方波的频率为中心频率，本测试要求保证在中心频率下进行测定。求保证在中心频率下进行测定。步骤步骤2：调节方波信号的幅度，使其峰峰值在：调节方波信号的幅度，使其峰峰值在2V12V范围内变范围内变化，设置输入不同峰峰值的方波信号来驱动发射头，用示波化，设置输入不同峰峰值的方波信号来驱动发射头，用示波器观察超声波接收头的输出信号波形，记下的值，研究驱动器观察超声波接收头的输出信号波形，记下的值，研究驱动信号幅度变化对超声波传感器传输特性的影响。信号幅度变化对超声波传感器传输特性的影响。要求在要求在2V12V范围内按照如下表格设置的值测试输出范围内按照如下表格设置的值测试输出信号值，总计测试信号值，总计测试20对数据。对数据。注意：要求测试每对数据时，必须先用示波器调试输出准确幅度、注意：要求测试每对数据时，必须先用示波器调试输出准确幅度、频率的方波信号后，再驱动发射头，进而测试接收头接收到频率的方波信号后，再驱动发射头，进而测试接收头接收到的同频信号电压的。的同频信号电压的。实训作业实训作业2：分析：分析20对记录数据，绘制输出关系曲线，得出超对记录数据，绘制输出关系曲线，得出超声波传感器传输特性结论。声波传感器传输特性结论。inVPPVinVPPV实训实训1：超声波传感器的特性测试：超声波传感器的特性测试表表2：中心频率下测试超声波传感器的传输特性数据记录：中心频率下测试超声波传感器的传输特性数据记录inVPPVinVPPV (V)2V2.5V3V3.5V4V4.5V5V5.5V6V6.5V (V)(V)7V7.5V8V8.5V9V9.5V10V10.5V 11V12V (V)