超声波传感器PPT推荐.pptx

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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11、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=vs=vtt）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11、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0.34mm0.34mm不碰撞不碰撞铁丝直径小于铁丝直径小于0.07mm0.07mm碰撞碰撞回音定位回音定位22、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11、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33、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344m/s44、超声波、超声波的的反射和折射反射和折射由物理学知，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55、超声波的、超声波的衰减衰减声声波波在在介介质质中中传传播播时时，随随着着传传播播距距离离的的增增加加，能能量量逐逐渐渐衰衰减减，其其衰衰减减的的程程度度与与声声波波的的扩扩散散、散散射射及及吸吸收收等等因因素素有有关关。

其声压和声强的衰减规律为式中：

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超声波探头结构如图所示，它主要由压压电电晶晶片片、吸吸收收块块（阻阻尼尼块块）、保保护护膜膜、引线等引线等组成。

压电晶片多为圆板形，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44、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44、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44、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频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率与率；

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。

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，都是在谐振频率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，否则将因无法产生型号，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效果，甚至无法接收。

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44、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、电路框图超超声声波波发发射射头头超超声声波波接接收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、超声波传感器发射电路原理二、超声波传感器发射电路原理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、超声波传感器接收电路原理三、超声波传感器接收电路原理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放大大、检检波波、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