电子设计创新训练(提高)第一章常用传感器及测量电路

1、电子设计创新训练(xnlin)（提高）校电工(dingng)电子实验教学中心梁 伟共四十六页课程(kchng)简介电子设计创新实践训练（提高部分）是针对电子信息过程、自动化、计算机科学、微电子、物理等电子类相关专业的一门实践应用类课程，适合大三年级学生选修。本门课程是电子类相关专业的专业基础课教学的补充，重点是实践应用环节。课程主要内容为传感器与检测技术、单片机接口技术等课程相关的实践应用知识。通过系统的传感器与检测技术、单片机接口技术等实践应用培训，比较全面地提高学生在电子设计领域的能力，使学生掌握基本的科学研究方法。实验室授课，课堂为32学时(xush)，课程开设同时，实验室额外提供实践环

2、节训练机会，初步定为两个实践设计活动。通过典型的电子产品设计、新型器件的应用以及新型技术的应用，逐步提高学生的实践能力，培养学生的创新意识与创新能力。通过系统的实践应用知识培训与实践训练，力争使学生在专业能力与社会能力方面获得全面提高。首先提高学生的就业与升学竞争力，同时，培养学生自学能力，团体协调、合作的精神，锻炼独立工作能力和自我管理能力，培养优秀学生的领导能力，为进入社会打下良好基础。共四十六页每周学时：4，具体教学环节安排(npi)如下： 教学环节 教学时数 课程内容讲课实验习题课讨论课上机课外实践其他传感器与检测技术实践应用6C51编程应用基础2常用A/D，D/A转换器应用介绍4常用

3、典型外设使用方法与编程技术6通讯应用4系统设计实例(2)10跨越时段合计32共四十六页第一章 常用(chn yn)传感器及测量电路1-1 传感器的组成和分类 传感器定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。 在有些学科领域, 传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法, 反映了在不同的技术领域中, 只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语(shy)而已。 如在电子技术领域, 常把能感受信号的电子元件称为敏感元件, 如热敏元件、磁敏元件、 光敏元件及气敏元件等, 在超声波技术中则强调的是能量的转换, 如压电式换能器。这些提法在含义上

4、有些狭窄, 而传感器一词是使用最为广泛而概括的用语。 无论检测的对象是电量或者非电量，传感器的输出信号通常是电量, 它便于传输、 转换、 处理、 显示等，输出信号的形式由传感器的原理确定。 共四十六页 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中, 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分; 转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用, 传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

5、 此外, 信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助(fzh)的电源, 因此, 信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。共四十六页 传感器的分类：目前一般采用两种分类方法: 一是按被测参数分类, 如温度压力、位移、速度等; 二是按传感器的工作原理(yunl)分类, 如应变式、电容式、压电式、 磁电式等。 对于初学者和应用传感器的工程技术人来说, 应先从工作原理出发, 了解各种各样传感器,而对工程上的被测参数应着重于如何合理选择和使用传感器。 本课程仅介绍几种常见传感器及应用，大量关于传感器方面的指示内容请同学自行查找资料学习。具体有的专业可能在传感器原理及应用、过程检测及仪表和

6、测试技术等课程获得部分相应知识 。 共四十六页1-2 常用(chn yn)温度传感器 温度参数是生活和生产中接触最多的物理量，它的测量方法也是非常的多，工业上的应用典型有热电阻温度传感器、热电偶温度传感器，汽车和民用行业上常用热敏电阻、模拟式半导体测温芯片及数字式测温芯片等传感器。本小节对热电阻温度传感器等几种常见传感器的简单原理及测量方法做一下简洁。 一、 热敏电阻 热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用金属氧化物等半导体材料做成。它的主要特点是：灵敏度高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6温度变化；外型小，元件尺寸可做到直径为0.2mm，能够测出一般温度计无法测量

7、的空隙、腔体、内孔及生物体血管等处的温度。它一般有正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）两种，PTC常用于过流保护，负温度系数的热敏电阻常用于温度测量和控制。目前半导体热敏电阻还存在一定缺陷，主要是互换性和稳定性还不够理想(lxing)，虽然近年有明显改善，但仍比不上金属热电阻，其次是它的非线性严重，且不能在高温下使用，因而限制了其应用领域。共四十六页图1-1 简易(jiny)的热敏电阻控温电路原理图 因为廉价及使用(shyng)方便，热敏电阻在民用电子产品中有广泛应用，图1-1就是一个采用负温度系数热敏电阻进行温度控制的电路。它使用(shyng)廉价的运放LM358做比较器，调整R3，使

8、比较器在设定点温度处恰好翻转即可实现开关方式的温度控制过程。电路工作原理如下： 首先选择合适的热敏电阻，例如需要控制对象为恒温水浴，目标温度为80，则可以选择在80时阻值3K左右的热敏电阻，R3则选择5K电位器。使用其他方法先获得稳定的80恒温水浴，在设备中安置好热敏电阻，调整R3并使用万用表检测LM358的翻转点后即调整完毕。安装好加热器后，设备就可以工作了，当水浴温度低于设定时，RT阻值增大，则LM358输出高电平，固态继电器导通，开始加热。当温度超过设定时，RT减小，LM358翻转，输出低电平，固态继电器截至停止加热。周而复始，完成了开关式温度调节过程。需要指出的是，这种控制方式会有一定

9、的调节过冲，控制精度不高，只适合要求较低的控制场合。共四十六页 玻璃封装NTCPTC（自恢复(huf)保险丝） NTC常见热敏电阻(r mn din z)的形式共四十六页二、 热电阻温度传感器应用 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类, 一般把金属热电阻称为热电阻, 而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量-200+850范围(fnwi)内的温度，工业上常用Cu50和Pt100两种热电阻，它们在0时的标准阻值分别是50和100。标准铂电阻温度计的精确度高, 能够作为复现国际温标的标准仪器。热电阻一般采用绕

10、制或者薄膜蒸镀的方式制作，采用陶瓷或者玻璃等材料进行封装。12345图1-2 云母骨架电阻体结构(jigu)1云母片骨架； 2铂丝； 3银丝引出线；4保护用云母； 5绑扎用银带共四十六页图1-3 带保护(boh)套管的热电阻 由于热电阻(dinz)要安装在被测环境中，距离电阻(dinz)测量装置有一定距离，这样实际测量的时候就会带来导线电阻(dinz)的误差，因此实际使用热电阻(dinz)的时候都是采用三线制连接方法。见图1-4是一个热电阻(dinz)检测电路，它采用三线制连接，通过电路处理，剔除了导线电阻(dinz)的影响并获得了与热电阻(dinz)阻值成正比的电压输出。共四十六页图1-4

11、三线(sn xin)制热电阻检测原理图 图1-4中，使用了一片TLC2252运算放大器，放大器U1:A设计了一个恒流源，为电阻体提供了一个I=VR/R2的恒流，其中VR=2.5V。一般情况下，为避免激励电流产生的热量影响测量精度，每种热阻都有最低限制，一般要求3mA以下，本例为1mA。电阻体RT采用三线制连接，实际应用时，三根导线采用相同规格，相同的长度，因此三根导线实际电阻相等，有RL=RL1=RL2=RL3。运放U1:B是一个差动放大器，并有R3=R4=R6=R7=，R5=R8。当差动放大器的输入端电阻R3、R4、R6、R7比较大时，可以忽略热电阻自身电阻对放大反馈过程的影响，简单分析会得

12、到：VO=I*(RT+2*RL)-2*I*RL=I*RT，显见，运算过程最终结果剔除了导线电阻的影响，根据具体量程设置合适的放大倍数就能够得到合适的输出幅度进行(jnxng)后续处理。共四十六页 在上面的例子中，只是获得了I*RT的结果，要获得实际温度值，还需要继续处理，对于简单的显示仪表，只需要使用差动加法器扣除0时的电压输出值即可，但也只适用于Cu50这样的阻值线性变化的传感器，而对于Pt100，则输出是非线性的，需要进行补偿。同时(tngsh)，恒流源本身也存在温度稳定性问题。一般情况下，现代的测量系统都是采用MCU来做控制核心的，此时测量和线性化处理就是一件简单的工作了，见图1-4就是

13、一个智能的高精度热电阻测温前置电路。 如图1-5，它是一个采用恒压分压法精密测量三线制热电阻阻值的智能检测电路。它采用16位的-型AD7705作为模数转换器，它是一个具有双差动输入通道，低功耗16位的-型高精度A/D转换器，输入带有可编程放大器。系统控制CPU采用了PHILIPS公司新型51兼容单片机P89LPC931，这里没有画出，整体上是一个低功耗检测系统。它可以嵌入到任何需要高精度温度测量及低功耗的智能设备中，下面对检测原理进行逐步介绍。共四十六页图1-5 智能(zh nn)高精度三线制热电阻前置检测电路原理图共四十六页 电阻体RT接成了三线制，RL为三根导线电阻，一般每根导线实际电阻在

14、5之内。电阻体与测量电路以A、B、C三点连接，实际上是与电阻R构成了对电压VREF的分压电路。当在VREF和R是已知的前提下，通过检测VAB和VAC，我们就能够通过计算的方法得到(d do)RT，从而求的实际温度。VAB和VAC的检测由AD7705完成，这里采用了8倍前置增益，通道1检测VAC，通道2检测VAB。参见图1-5，我们很容易可以获得如下的关于VAB和VAC的关系式1和2，它们实际上是以RT和RL为未知数的二元一次方程，我们很容易求解出RT，即关系式3。 VAB=VREF*RL/（R+RT+2*RL） 关系式1 VAC=VREF*（RT+2*RL）/（R+RT+2*RL） 关系式2

15、RT=R*（VAC-2*VAB）/（VREF-VAC） 关系式3 求解出RT，就可以根据阻值与温度的关系表间接推算出实际测量的温度。如果采用国标中给出的Rt（t）函数公式加试差法推导温度值，并采用浮点运算，能够获得极高精度，采用C51可以很容易实现。共四十六页 上面求解测量温度的过程中是把R和VREF都作为已知参数来处理的。但实际上，R为高稳定性的金属膜电阻，它的精度为0.1%，VREF取自LM285，它的出厂稳定值范围为1.2350.01V，这样的误差对于高精度测量是不允许的，解决的办法就是对它们进行校准。 解决这个校准问题也不复杂(fz)，方法是使用两个不同电阻值的模拟电阻来进行两次测量，

16、然后求解出R和VREF，模拟的电阻可以使用高精度电阻箱。例如第一次接入R1=100，第二次接入R2=200，会得到如下的关系式4、5、6、7，根据它们，可以求解出关系式8、9、10，从而获得校准后的R和VREF，然后把获得的校准值存入系统中的EEPROM，就可以作为正式测量RT时的已知参数了。 共四十六页具体(jt)关系式如下：VAB1=VREF*RL/（R+R1+2*RL） 关系式4VAC1=VREF*（R1+2*RL）/（R+R1+2*RL）关系式5VAB2=VREF*RL/（R+R2+2*RL） 关系式6VAC2=VREF*（R2+2*RL）/（R+R2+2*RL）关系式7RL=VAB1

17、*R1/(VAC1-2*VAB1) 关系式8R=(VAB1*(R2+2*RL)*(R1+2*RL)-RL*VAC2*(R2+2*RL)/ (RL*VAC2-VAB1*(R2+2*RL) 关系式9VREF=VAC1*(R+R1+2*RL)/(R1+2*RL) 关系式10共四十六页三、半导体温度传感器 因为温度是一个非常普遍使用的环境参数，许多半导体生产商设计生产了多种芯片级的温度传感器，主要分为模拟输出(shch)和数字输出(shch)两类。后面章节介绍了几种数字式温度测量芯片，本小节仅对常用的模拟输出(shch)测温芯片AD590及PN结温度传感器做简单介绍。1、AD590 AD590是一个温

18、度控制恒流源芯片，它是一个两端器件，只要提供436V直流电压，它就输出一个电流，I=K（A），其中K为绝对温度值。也就是说AD590的恒流与绝对温标温度成正比对应关系，每度对应1A。在标准摄氏0时，它提供275.15A电流。只要在电流回路中串入采样电阻，就能够获得电压输出，方便进行温度测量。如需要更详细的资料，请读者在ADI的网站上下载相应资料（）。共四十六页2、PN结温度传感器 集成温度传感器的测温基础是PN结的温度特性。从模拟电子学可知，硅二极管或三极管的PN结在结电流(dinli)ID一定时，正向电压降UD以-2mV/ 变化。在激励电流(dinli)为零点几毫安、环境温度为20时，其UD

19、约600mV。当环境温度变化100时，例如从20增加到120时，其正向电压降UD约降低了200mV。电路的测温范围取决于二极管许可的工作温度范围。大多数二极管可以在-50到150之间工作。半导体硅材料的PN结正向导通电压与温度变化呈线性关系，所以可将感受到温度变化转换成电压的变化量。 共四十六页3、应用AD590设计简易数字温度计（分立元件） 传感器采用AD590，A/D采用双积分DMM用芯片(xn pin)ICL7107。后者为三位半A/D转换器，专用于数字测量，直接驱动LED。共四十六页设计原则：1）、显示范围：AD590工作温度-50150度，分辨率0.1度；2）、支持零点与满度调整：（

20、1）基准源选择LM385-12，请同学们自行查阅基准源资料，了解基准源与普通电源之间区别。（2）采样电阻选择1K，保证1mv/电压(diny)变化率，配合7107的0200mv输入量程（基准=100mv），同时最大150 时采样电压=423mv，AD590仍能够保证超过4V供电电压。（3）零点调整使用标准3296多圈电位器，为降低调整灵敏度，人为设定W1=2K，人为规定电位器上压降为50mv，据此计算出分压串中其它电阻；同样，满度参数据此计算。（4）在冰水中调零点；在沸水中调满度。共四十六页四、温度传感器应用(yngyng)总结民用、系统内测温：热敏电阻、半导体（模拟、数字）传感器工业：热电阻

21、、热电偶等。检测电路器件：运算放大器：同相、反相、差动电路；恒流电路。运放参数：单电源、失调电压、共模抑制比、速度（带宽）。精密电阻：精度、温度稳定性等。基准源：温度稳定性（ppm/）、初始精度等。传感器检测电路技巧：热阻三线(sn xin)制（非电量电量转换方法）。共四十六页1-3 常用(chn yn)数字信号检测传感器 民用设备、工业生产及军事上经常需要进行位置、速度、计数等参数检测，因此产生了大量的数字信号检测传感器。其中应用(yngyng)比较广泛的有霍尔传感器（开关式）和光电传感器（开关式）。一、开关式霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。置于磁场中的静止载流导体, 当它

22、的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。 目前霍尔传感器主要分为数字开关量传感器和模拟输出传感器两类，霍尔传感器广泛用于电磁测量、位移及脉冲计数等方面的测量。本节主要介绍数字开关量传感器。共四十六页1、典型芯片UGN3120及原理框图 在脉冲计数、数字式转速检测场合，开关型霍尔传感器获得了大量应用，它也是采用单电源(dinyun)供电，外形一般也采用TO-245AA三脚封装，如图1-6，是Allegro公司的霍尔传感器UGN3120的原理框图，性能指标如下：电源电压：4.524V电源电流：5mA/5V输出结

23、构：OC门输出滤波：斯密特触发器有效低电平输出：150mV翻转灵敏度：最大350G/25使用温度：-40150仅支持单向磁场检测。共四十六页在有些特殊场合下，需要极低功耗的开关型霍尔传感器，例如在使用电池供电的智能(zh nn)煤气表应用设计中。这时可以采用极低功耗的A3120，它的性能指标如下：电源电压：2.53.5V电池供电电源电流：典型8.8A /2.75V输出结构：OC门，低电平检测有效，无磁场为高阻状态输出滤波：斯密特触发器翻转灵敏度：最大70G，支持双极性磁场使用温度：-4085共四十六页2、应用 如图1-7，是UNG3120在出租车计价器中的一个具体应用。一般情况，计价器全部采用

24、开关量霍尔传感器来检测发动机主轴的转数，以此推算行走里程，具体可以在速度表线或者主轴上贴装一片高强永久磁铁，然后在适当位置固定传感器，这样主轴每转动一周传感器就可以获得一个低电平脉冲输出。具体电路中，UGN3120与检测系统之间使用了光电隔离方式，主要考虑避免电瓶供电的其它电路系统对计价器的干扰。此电路配合软件控制能够有效防止(fngzh)人为给传感器附加脉冲的方法来加快计价器的作弊行为，电路具体工作原理分析如下：图1-7 计价器里程(lchng)检测传感器电路共四十六页 理论上，只要给UGN3120提供一个电源，就可以直接把它的输出引入到控制MCU的一个计数器输入端进行计数，电路(dinl)

25、非常简单，但是这样就给了一些希望靠欺骗手段骗取钱财的人一个可乘之机，他们通过在UGN3120的输出上附加额外的脉冲就可以给计价器加速！因此一个实际的电路不仅要考虑完成给定的任务，还需要能够完成必要的附加任务。本电路设计中，计价器的MCU控制系统使用一根I/O口通过U1来控制UGN3120的电源，低电平有效。不是使用MCU的计数器直接计数，而是使用了一个外部中断接口接收检测的脉冲输入，每中断一次，累计量加一，就可以获得里程参数。具体防作弊的方法是：每检测到一个脉冲，在中断服务子程序里立即关闭UGN3120的电源，正常情况因为UGN3120的输出关闭，OUT应该变为高电平，这时马上再检测UGN31

26、20的输出，如果此时输出变为高电平，说明当前检测到的脉冲确实是UGN3120产生的，是真实的计数输入，则予以确认，累计加一。但如果检测到OUT继续为低电平，只能说明有额外的低电平脉冲加载在UGN3120的输出OC门上，是作弊，系统则不进行累加，因此就能够防止作弊。中断服务子程序处理完毕后重新打开UGN3120的电源，就可以准备检测下一个脉冲了。 共四十六页图1-9 无附加脉冲与有附加脉冲的CP波形图A：正常波形(b xn)B：附加了3个脉冲的波形（无防作弊处理）图1-8 安装了附加脉冲开关的计价器里程检测传感器电路（可以使用直流电机电刷作为附加开关，CTL=0，无防作弊(zu b)控制）共四十

27、六页图1-10 安装了附加脉冲开关的计价器里程(lchng)检测传感器电路（可以使用直流电机电刷作为附加开关，使用CTL控制功能）图1-11 使用(shyng)防作弊控制后CP波形图如图1-11，A为正常检测输出；B为加防作弊控制后波形；C作弊脉冲；D为防作弊处理后波形（含作弊脉冲）。可见作弊脉冲中没有被加入添加的高电平识别信号，因此不会被控制器认可为传感器输出，被舍弃。共四十六页图1-12 智能作弊装置的检测与控制(kngzh)电路（脉冲检测与脉冲控制(kngzh)使用MCU控制(kngzh)）共四十六页图1-13 图1-12缩小(suxio)示意图图1-14 智能(zh nn)作弊波形图

28、如图1-12，通过T3，使用MCU检测计价器的传感器CP脉冲，检测到CP后开始跟踪检测它的上升沿。这里可以通过类似延时去抖动的方法剔除防作弊功能产生的窄高电平脉冲，依据是：CP的宽度为毫秒级，防作弊功能产生的窄高电平脉冲宽度为微秒级。如果需要作弊，检测到CP下降沿后即可通过T2，人为控制加入脉冲，系统防作弊功能检测到此脉冲后需要关POWER来进行判断，但是因为POWER同时控制T1作为T2的接地开关，此时T2的接地被关断，T2失去下拉作用，出现认证脉冲，作弊成功。共四十六页二、数字光电传感器 光电器件工作的物理基础是光电效应。 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电

29、阻等就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光敏晶体管等就属于这类光电器件。 本节介绍数字式光电传感器应用，主要以光敏晶体管为核心。1、光电开关 光电开关是一种利用(lyng)感光元件对变化的入射光加以接收, 并进行光电转换, 同时加以某种形式的放大和控制, 从而获得最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。一般使用红外光。 共四十六页 图1 - 15为典型的光电开关结构图。图（a）是一种透射式的光电开关, 它的发

30、光元件和接收元件的光轴是重合的。 当不透明的物体位于或经过它们之间时, 会阻断光路, 使接收元件接收不到来自发光元件的光, 这样起到检测作用。 图（b）是一种反射式的光电开关, 它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。 当有物体经过时, 接收元件将接收到从物体表面反射的光, 没有(mi yu)物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触, 而且与TTL、 MOS等电路容易结合。图1-15 遮挡(zhdng)型与反射性光电开关共四十六页 光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测， 产品计

31、数, 料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等用途。（介绍应用(yngyng)电路：交流放大、施密特整形抗背景光干扰） 2、38KHz调制光电传感器 普通开关式光电器件在使用中会受到环境光线的干扰，在一些特殊场合中，较强背景光可能造成接收方误动作。 例如：红外线遥控场合。红外遥控使用的接收器件被设计成只对38KHz调制的红外光信号敏感，如芯片DX2000L38，能消除环境可见光和红外光的影响 。共四十六页3、编码器 将机械转动量转换为数字代码输出形式的电信号的传感器称为编码器。角编码器又称码盘，是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测轴连接，随被测轴一起转动，它能将被测轴的角位移转换成

32、二进制编码或一串脉冲。角编码器有两种基本类型：绝对式编码器和增量式编码器。按照结构划分，有机械式（电刷触点）、光电式和电磁式，其中光电方式应用比较广泛。 每转过一个单位，编码器就输出一个脉冲，故称之为增量式；它一般还提供(tgng)辅助方向输出和零位输出。可以通过累计获得转角、转速并计算相对位置。（简单应用：鼠标滚轮）共四十六页 以某一点为参考原点，数据线始终输出编码器轴的当前位置偏离原点的距离的数据信息，是称绝对式编码器。比如，一款10位BCD码输出的编码器分辨率为360C/T，那么(n me)每个单位对应1，如果轴偏离原点一个单位，也就是处在1的位置，那么(n me)输出000000000

33、1，如果偏离50，也就是在50的位置，那么(n me)输出就是0001010000。绝对式编码器总是输出当前位置信息。（机器人手臂当前位置反馈）图1-16 四位(s wi)分辨率码盘示意共四十六页几种(j zhn)很常见的开关量传感器共四十六页三、总结1、开关量传感器是工作与模拟式器件的基础上，指示设置了工作点（比较点）。2、开关量传感器信号处理中也需要采用模拟电路。如：反射式光电传感器需要抗背景光干扰。使用交流放大、施密特整形。3、传感器的应用与控制器结合，能够(nnggu)实现许多灵活复杂应用（计价器作弊与反作弊）4、使用同种传感器原理，配合不同机构，能够组成不同用途的新传感器。例如：阻挡

34、式光电开关、反射式光电开关、码盘等。共四十六页 振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频率在162104 Hz之间, 能为人耳所闻的机械波, 称为声波; 低于16 Hz的机械波, 称为次声波; 高于2104 Hz的机械波, 称为超声波。 超声波探头按其工作原理可分为压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等, 而以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷, 这种传感器统称(tngchng)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, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为

35、接收探头。 利用声波在界面的反射特性，典型应用：测距、测厚、探伤。 1-4 超声波传感器共四十六页一、超声波测距图1-17 超声波测距模板(mbn)S=2vtS：被测距离；v：空气中声速(shn s)t：超声波往返时间。A：发射波，B：发射干扰，实际测量需要躲避，C：障碍回波共四十六页 电路由：发射、接收、放大、鉴频、控制MCU等组成。 发射：测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行程序来产生。测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T进行驱动放大，驱动超声波

36、发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，具体分发射控制周期个数与测量(cling)距离相关。 共四十六页图1-19 加装升压(shn y)变压器发射驱动 发射波形周期个数越少，发射与接收的脉冲(michng)越窄，容易精确测量时间。但是同时也使接收获得的激励能量小，测量距离短。 如果发射周期个数多，能够获得较大的接收回波。但是这样使发射激激带来较大的接收干扰，控制电路必须设置较大的盲区时间。即：发射后需要延时等待干扰波结束，然后才能接收可能的真实回波。这段等待时间就造成了测量上的盲区，在小的距离内无法使用超声波进行测量。 发射强度与盲区的矛盾可以通过使用升压变压器来解决。一般使用铁氧体高频磁芯变压器。能够数十倍提高发射电压峰值，唯一的限制就是传感器本身的耐压。共四十六页 接收及放大：接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。许多时候，接收传感器原则上可以使用与发射传感器同型号的传感器。超声波传感器用于空气中距离测量(cling)时，一般固定使用40KHz的工作频率，故此接收传感器也仅对40KHz的频率敏感（共振效应）。 放大电路采用了两级级联的电容耦合放大器，每级的放大倍数一般最大可以设置到100倍（普通LM358低速运放可能只能放大10倍），可以因测量距离灵敏度决定。