项目14超声波遥控电灯开关设计与调试.ppt

项目14超声波遥控电灯开关的设计与调试 项目14超声波遥控电灯开关的设计与调试 项目描述本项目要求设计与调试一个用超声波遥控的电灯开关 超声波技术是一门以物理 电子 机械及材料学为基础的 各行各业都使用的通用技术之一 它是通过超声波产生 传播以及接收这个物理过程来完成的 超声波在液体 固体中衰减很小 穿透能力强 特别是对不透光的固体 超声波能穿透几十米的厚度 超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用 知识和能力目标 掌握超声波的概念和基本特性 了解超声波探头产生 接收超声波原理 掌握超声波探头结构及使用方法 了解超声波探头耦合剂的作用 熟练应用超声波探头对相应物理量进行检测 知识准备一 认识超声波及其物理性质 1 超声波的概念和波形机械振动在弹性介质内的传播称为波动 简称为波 人能听见声音的频率为20Hz 20kHz 即为声波 超出此频率范围的声音 即20Hz以下的声音称为次声波 20kHz以上的声音称为超声波 一般说话的频率范围为100Hz 8kHz 声波频率的界限划分如图14 1所示 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同 超声波的传播波型也不同 通常有以下三种类型 1 纵波 质点振动方向与波的传播方向一致的波 2 横波 质点振动方向垂直于传播方向的波 3 表面波 质点的振动介于横波与纵波之间 沿着表面传播的波2 声速 波长与指向性 1 声速 2 波长超声波的波长 与频率f乘积恒等于声速c 即 f c 3 指向性 3 超声波的反射和折射 1 反射定律入射角 的正弦与反射角 的正弦之比等于波速之比 当入射波和反射波的波型相同 波速相等时 入射角 等于反射角 2 折射定律入射角 的正弦与折射角 的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的波速c2之比 即sin sin c1 c2 4 超声波的衰减超声波在介质中传播时 随着传播距离的增加 能量逐渐衰减 其衰减的程度与超声波的扩散 散射及吸收等因素有关 其声压和声强的衰减规律如下 Px P0e x 9 5 Ix I0e 2 x 9 6 式中 Px Ix 距声源x处超声波的声压和声强 P0 I0 x 0处超声波的声压和声强 衰减系数 x 声波与声源间的距离 二 超声波探头及耦合技术 一 超声波探头工作原理超声波探头的工作原理有压电式 磁致伸缩式 电磁式等方式 在检测技术中主要采用压电式 超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷 这种探头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 以产生超声波 可作为发射探头 而利用压电效应则将接收的超声波振动转换成电信号 可作为接收探头 1 超声波发生器原理电致伸缩效应 在压电材料切片上施加交变电压 使它产生电致伸缩振动 而产生超声波 如图14 4所示 外加交变电压频率等于晶片的固有频率时 产生共振 这时产生的超声波最强 共振压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波 图14 4超声波发生器原理图14 5超声波接收器原理 2 超声波接收器原理压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的 如图14 5所示 它的结构和超声波发生器基本相同 有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途 二 超声波探头由于其结构不同 超声波探头又分为直探头 斜探头 双探头 表面波探头 聚焦探头 冲水探头 水浸探头 空气传导探头以及其他专用探头等 如图14 6所示 1 单晶直探头2 双晶直探头3 斜探头4 聚焦探头6 空气传导型探头5 箔式探头 三 超声波探头耦合剂 无论是直探头还是斜探头 一般不能直接将其放在被测介质 特别是粗糙金属 表面来回移动 以防磨损 更重要的是 由于超声探头与被测物体接触时 在工件表面不平整的情况下 探头与被测物体表面间必然存在一层空气薄层 空气的密度很小 将引起三个界面间强烈的杂乱反射波 造成干扰 而且空气也将对超声波造成很大的衰减 为此 必须将接触面之间的空气排挤掉 使超声波能顺利地入射到被测介质中 在工业中 经常使用一种称为耦合剂的液体物质 使之充满在接触层中 起到传递超声波的作用 常用的耦合剂有水 机油 甘油 水玻璃 胶水 化学浆糊等 耦合剂的厚度应尽量薄一些 以减小耦合损耗 项目实施三 超声波遥控电灯开关的设计与调试 1 实训技术参数谐振频率 40KHZ 1KHZ UCM T40K1发射用 38KHZ 1KHZ UCM R40K1接收用 频带宽 2KHZ 0 5KHZ外形尺寸 16mm 22 5mm2 使用环境温度 20 60 相对湿度 20 5 时达98 3 元件选用 1 发射电路中 VT1和VT2用CS9013或CS9014等小功率晶体管 超声发射器件用SE05 40T 电源GB采用一块9V叠层电池 以减小发射器体积和重量 2 接收电路中 VT1和3DJ6或是3DJ7等小功率结型场效应晶体管 VT2 VT3用CS9013 VD1和VD2用IN4148 JK触发器用263B 超声接收器件用SE05 40R 与SE05 40T配对使用 继电器K用HG4310型 4 超声波遥控电灯开关工作原理图14 8为发射电路 电路采用分立器件构成 VT1和VT2以及R1 R4 C1 C2构成自激多谐振荡器 超声发射器件B被联接在VT1和VT2的集电极回路中 以推挽形式工作 回路时间常由R1 C1和R4 C2确定 超声发射器件B的共振频率使多谐振荡电路触发 因此 本电路可工作在最佳频率上 图14 8发射电路图14 9接收电路 5 制作与调试 1 两接线脚焊接时间不宜过长 以免器件内之焊点溶化脱焊及造成底座与接线脚之间松动 2 不宜与腐蚀性物质接触 3 这种遥控开关 电路简单 且免调试 项目拓展四 超声波传感器的应用 1 超声波测厚 2 超声波物位传感器 3 超声波流量传感器 t t2 t1 2L c2 2 9 14 由于c 从上式便得到流体的流速 即 c2 2L t 9 15 则液体的流量为Q D 2 2 9 16 在实际应用中 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 此时超声波的传输时间将由下式确定 即 9 17 4 超声波探伤 5 汽车倒车探测器 6 超声波清洗 1 超声波的空化效应超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时 其功率密度为0 35w cm2 这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压 但实际上无负压存在 因此在液体中产生一个很大的力 将液体分子拉裂成空洞一空化核 此空洞非常接近真空 它在超声波压强反向达到最大时破裂 由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来 这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为 空化 现象 2 超声波清洗机超波清洗机主要由超声波清洗槽和超声波发生器两部分构成 超声波清洗槽用坚固弹性好 耐腐蚀的优质不锈钢制成 底部安装有超声波换能器振子 超声波发生器产生高频高压 通过电缆联结线传导给换能器 换能器与振动板一起产生高频共振 从而使清洗槽中的溶剂受超声波作用对污垢进行洗净 图14 15HY CXJ超声波清洗机 7超声波焊接超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面 在加压的情况下 使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合 图14 16超声波塑料焊接机 8 超声波成像目前医学超声诊断仪有以下几种 1 A型超声诊断仪 2 M型超声诊断仪 3 B型超声诊断仪 4 D型超声诊断仪 5 彩色多普勒血流显像仪彩色多普勒血流显像简称彩超 包括二维切面显像和彩色显像两部分 图14 17彩色多普勒血流显像仪 项目小结 通过本项目的学习主要给大家介绍了超声波的概念和基本特性 超声波探头结构类型及使用方法 超声波探头耦合剂的作用以及超声波在其他新领域的应用 1 机械振动在弹性介质内的传播称为波动 简称波 人能听见声音的频率为20Hz 20kHz 即为声波 20Hz以下的声音称为次声波 20kHz以上的声音称为超声波 超声波具有反射和折射特性 2 产生和接收超声波的装置叫做超声波传感器 习惯上称为超声波换能器 或超声波探头 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械