超声波传感器

1、第四第四章章 超声传感器及应用技术超声传感器及应用技术梁长垠梁长垠 教授教授Professor LiangProfessor Liang第五章第五章 超声波传感器及应用技术超声波传感器及应用技术教学目的：1、了解超声波传感器的作用、分类和使用方法； 2、熟悉常用超声波传感器的特点及应用范围；4、掌握常用超声波传感器的工作原理及使用方法；5、学会正确选用超声波传感器的方法。教学重点：1、超声波传感器特点与选用；2、超声波传感器原理及接口电路设计方法。教学难点：1、超声波传感器工作原理；2、超声波传感器应用电路分析与设计方法。教学方法：1、引导文教学法2、引探教学法3、头脑风暴法第五章第五章 超声

2、波传感器及应用技术超声波传感器及应用技术问题思考：1、超声波传感器的作用是什么？2、常用的超声波传感器有哪些种？各自的原理是什么?3、何为压电效应？超声波有哪些特性?4、超声波传感器的组成包括哪几个部分？5、超声波传感器的原理是什么？其应用场合有哪些?6、举出10种以上超声波传感器的应用场景。第五章第五章 超声波传感器及应用技术超声波传感器及应用技术第一节 超声波传感器定义与分类 超声波传感器概述 超声波传感器分类、结构与特性第二节 超声波传感器工作原理 超声波传感器的组成 超声波传感器发射电路 超声波传感器接收电路第三节 超声波传感器应用电路分析与训练 倒车雷达系统电路设计与调试电路设计与调

3、试 液位测量系统电路设计与调试液位测量系统电路设计与调试 第五章第五章 超声波传感器及应用技术超声波传感器及应用技术第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述 1 1、声波、声波 机械振动机械振动在媒质中的传播在媒质中的传播。（声速（声速、波长、频率关系波长、频率关系 s=s=v vt t ）18301830年法年法国国SavartSavart音调极限实验：存在听不到的声音音调极限实验：存在听不到的声音一、超声波传感器概述 第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类1 1、声波、声波蝙蝠的飞行本领蝙蝠的飞行本领铁丝直径大于铁丝直径大于0.34

4、mm 0.34mm 不碰撞不碰撞铁丝直径小于铁丝直径小于0.07mm 0.07mm 碰撞碰撞回音定位回音定位2 2、超声波是、超声波是频率频率大于大于20k20k赫兹赫兹的声波。的声波。第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述 1 1、声波、声波第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述 3 3、超声波的波型及其、超声波的波型及其传播速度传播速度 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：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； 横波：质点振动方向垂

5、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。 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。气体中纵波声速为344 m/s4 4、超声波、超声波的的反射和折射反射和折射o介质1介质2折射波反射波入射波 由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。 当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即 21sinsincc第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类

6、一、超声波传感器概述 5 5、超声波的、超声波的衰减衰减 声波声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为 axxaxxeIIePP200式中：Px、Ix距声源x处的声压和声强； x声波测量点与声源间的距离； 衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。 第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述 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

7、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。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。 第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类一、超声波传感器概述 第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类二、超声波传感器分类、结构与特性 1、超声波传感器分

8、类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称为超声波传感器。也称探测器、换能器、探头。探头。 超声波探头按其工作原理可分为压电式压电式、磁致伸缩式磁致伸缩式、电磁式电磁式等，其中以压电式最为常用。 压电材料： 无机压电材料：分为压电晶体和压电陶瓷 有机压电材料：又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。 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压电效应来工作的。 压电效应压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对

9、表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应正压电效应。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类二、超声波传感器分类、结构与特性 2、超声波传感器工作基理 压电效应有正向压电效应正向压电效应和逆向压电效应逆向压电效应。 超声波超声波发送器发送器是利用逆向压电效应制成即在压电元件上施加电压，元

10、件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。 超声波超声波接收器接收器是利用正向压电效应制成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。第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类二、超声波传感器分类、结构与特性 2、超声波传感器工作基理3、超声波传感器的结构金属壳吸收块保护膜接线片压电晶片导电螺杆 超声波探头结构如图所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等膜、引线等组成。 压电

11、晶片多为圆板形， 厚度为。超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。 阻尼块的作用：降低晶片的机械品质， 吸收声能量。 如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时， 晶片将会继续振荡， 加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。 第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类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，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根引线。 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

12、以能产生高效率的高频电压。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3、超声波传感器的结构第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类4 4、超声波传感器、超声波传感器的特性的特性 (1) 频率特性频率特性发送超声波接收超声波第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类(2) 指向性特性指向性特性第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类4 4、超声波传感器、超声波传感器的特性的特性 (3) 阻抗特性阻抗特性阻抗阻抗频率频率并联谐振并联谐振串联谐振串联谐振第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类4 4、

13、超声波传感器、超声波传感器的特性的特性 通常发送传感器工作于输出最大的串联谐振频率，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；通过实验发现，发送传感器的串联谐振频频率；通过实验发现，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。率与接收传感器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，关键是谐振频率要一致，否则将因无应的型号，关键是

14、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。法产生共振而影响接收效果，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，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。要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。 第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类4 4、超声波传感器、超声波传感器的特性的特性 (3) 阻抗特性阻抗特性5、 性能指标性能指标（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

15、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。第一节第一节 超声波传感器定义与分类超声波传感器定义与分类超声波传感器超声波传感器-性能参数性能参数第二节第二节 超声波传感器工作原理超声波传感器工作原理一、超声波传感器测量系统的组成一、超声波传感器测量系统的组成 1、组成超声波传感器超声波传感器发送器发送器接收器接收器电源电源控制处理电路控制处理电路发送器：将压电晶体的电信号转换成机械波并向空中辐射接收器：将接收到的机械波传给压

16、电晶体将其转换成电信 号并向空中辐射控制处理电路：对发射脉冲信号、占空比、计数、探测距 离等进行处理与控制超声传感器的中心频率一般有：23、40、75、200、400kHz第二节第二节 超声波传感器工作原理超声波传感器工作原理一、超声波传感器测量系统的组成一、超声波传感器测量系统的组成 2、电路框图超 声 波 发 射超 声 波 发 射头头超 声 波 接 收超 声 波 接 收头头振荡电路振荡电路驱动电路驱动电路波形变换波形变换放大电路放大电路控制控制处理处理单元单元显显示示电源部分电源部分发射电路接收电路控制部分电源部分第二节第二节 超声波传感器工作原理超声波传感器工作原理二、超声波传感器发射二

17、、超声波传感器发射电路原理电路原理1、组成振荡电路：一般是RC振荡器，产生40kHz方波驱动电路：功率放大器超声波发射头：产生超声波发射信号并向空中辐射超声波发射头超声波发射头振荡电路振荡电路驱动电路驱动电路2、各部分作用第二节第二节 超声波传感器工作原理超声波传感器工作原理三、超声波传感器接收三、超声波传感器接收电路原理电路原理1、组成放大电路：将接收到的反射波信号高增益放大、检波、再 放大到合适电压值。比较电路：波形变换后送显示或报警电路超声波接收头：接收超声波信号2、各部分作用超声波接收头超声波接收头波形变换波形变换放大、检波、放大、检波、放大电路放大电路第三节第三节超声波传感器应用电路

18、分析与训练一、超声波传感器发送电路一、超声波传感器发送电路1、超声波发送系统电路R110K_LINKey = A 90%R21.0kR310kC11.0nFC2100nF10234VCC9VC3100nFC5100nF060VCCR6150k7C410nFU1LMC555CHGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R510MU2LMC555CHGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI211U3A4069BCL_10V5VCC8ControlU3B4069BCL_10VU3C4069BCL_10VU3D4069BCL_10VU3E4069BCL_10

19、VU3F4069BCL_10V1315U4CRYSTAL_VIRTUAL1412控制电路部分振荡电路部分驱动电路部分第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路一、超声波传感器发送电路（1）振荡电路 作用 产生40kHz超声波频 率信号 实现方式 系统的振荡电路利用系统的振荡电路利用 555 555产生占空比可调的产生占空比可调的 40kHz 40kHz方波信号方波信号1、超声波发送系统电路第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路一、超声波传感器发送电路1、超声波发送系统电路 采用采用555555定时器构成振荡电路，定时器构成振荡电路，2 2脚（

20、脚（6 6脚）及地之脚）及地之间的电容不断进行充、放电，导致间的电容不断进行充、放电，导致555555时基电路处时基电路处于置位与复位反复交替状态，输出端于置位与复位反复交替状态，输出端3 3脚交替输出脚交替输出高电平与低电平，波形为近似矩形波。高电平与低电平，波形为近似矩形波。第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路一、超声波传感器发送电路1、超声波发送系统电路555555多谐振荡电路的脉冲宽度多谐振荡电路的脉冲宽度T TL L由电容由电容C C 的放电时间来决定：的放电时间来决定： T TL L0.7R0.7R2 2C CT TH H由电容由电容C C 的充电时间

21、来决定：的充电时间来决定： T TH H0.70.7（R R1 1+R+R2 2）C C输出振荡信号的周期为：输出振荡信号的周期为： T T = = T TL L + + T TH H频率为：频率为：输出脉冲占空比为输出脉冲占空比为121f1/1.443/(2)TRR C)2/()(2121RRRRD第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路一、超声波传感器发送电路（2）控制电路 作用与实现方式 555555的强制复位端的强制复位端4 4脚由另一个脚由另一个555555低频振荡低频振荡器的输出取反后控制器的输出取反后控制 电路1、超声波发送系统电路第三节第三节超声波传感

22、器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路一、超声波传感器发送电路（3）驱动电路 作用 增大超声波发送头的 驱动电流 实现方式 采用采用CMOSCMOS六反相器六反相器 CD4069 CD4069构成驱动电路构成驱动电路为增大驱动电流，可以采为增大驱动电流，可以采用用CD4069CD4069中两个甚至三个中两个甚至三个反相器并联的方式实现。反相器并联的方式实现。1、超声波发送系统电路第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路一、超声波传感器发送电路CD4069为什么两个反相器并联就可以提高驱动能力？ 此电路结构称为桥式驱动方式，由于超声波传感器具有高阻特性，其正常工作

23、时需要一定的驱动电流，而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个并联，输出电流加倍，驱动能力当然提高啦！ 第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、超声波传感器发送电路一、超声波传感器发送电路第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练二、超声波传感器接收电路二、超声波传感器接收电路超声波接收头超声波接收头波形变换波形变换放大电路放大电路 超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。及波形变换电路三部分。 由于由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正

24、弦波信号需要变换为直流信号以须经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号以判断是否有回波及回波的大小。判断是否有回波及回波的大小。 第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、一、超声波传感器接收电路超声波传感器接收电路超声波接收电路图第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、一、超声波传感器接收电路超声波传感器接收电路 超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。 由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。第三节第三节超声波传感器应用电路分析与训练一、一、超声波传感器接收电路超声波传感器接收电路 倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。检波电路作用：检出反射脉冲信号的直流电压以判断有无反射信号。第三节第三节超声波传感器应用电路分