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  • 超聲波和傳感器的工作原理詳解
    • 發(fā)布時(shí)間:2024-08-30 18:18:51
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    超聲波和傳感器的工作原理詳解
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    超聲波簡介
    我們把頻率高于 20KHz 的聲波稱為超聲波,超聲波具有良好的方向性和穿透能力,特別是在水中,傳播距離更遠(yuǎn)。無論是在軍事上、農(nóng)業(yè)上還是在生活中都有廣泛的應(yīng)用,可以用來測速度、測距離、消毒殺菌、清洗、焊接等。
    人耳能聽到的超聲波頻率范圍大概是 20Hz-20KHz,超聲波的頻率大于人類聽覺上限,因此叫做“超聲波”。
    超聲波與普通聲波一樣,也具有反射、折射、衍射、散射等特點(diǎn),但是超聲波的波長較短,有的是幾厘米,最低可至千分之幾毫米。波長越短,聲波的衍射特性就越差,可以在介質(zhì)中穩(wěn)定地進(jìn)行直線傳播,因此波長較短的超聲波具有很強(qiáng)的直線傳播能力。眾所周知,聲音在空氣中傳播時(shí),會(huì)推動(dòng)空氣中的粒子振動(dòng)做功,而聲波功率的大小表示聲波做功快慢,在相同環(huán)境下,聲波的頻率越高功率就越大。超聲波的頻率大于 20KHz,因此超聲波的功率較高。
    超聲波主要有兩個(gè)參數(shù):
    頻率:F≥20000Hz(通常把 F≥15000Hz 的聲波也稱為超聲波);
    功率密度:p=發(fā)射功率(W)/ 發(fā)射面積(cm2);通常 p≥0.3w/cm。
    超聲波具有如下特性:
    (1) 超聲波具有在氣體、液體、固體等介質(zhì)中進(jìn)行效傳播的能力。
    (2) 超聲波具有很強(qiáng)的傳遞能量的能力。
    (3) 超聲波具有反射特性,還會(huì)產(chǎn)生干涉、疊加和共振現(xiàn)象。
    (4) 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí),可在界面上產(chǎn)生空化現(xiàn)象和強(qiáng)烈的沖擊。
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    超聲波用途
    超聲波在生活中的很多方面都有應(yīng)用,主要有以下幾個(gè)方面:
    1)醫(yī)學(xué)方面
    在醫(yī)學(xué)方面,超聲波主要應(yīng)用為醫(yī)學(xué)診斷與臨床治療。醫(yī)學(xué)診斷中,超聲波的主要應(yīng)用為 B 超。由于超聲波具有反射、折射等特點(diǎn),如果將超聲波發(fā)射到人體內(nèi),它就會(huì)在人體內(nèi)部發(fā)生反射,人體內(nèi)部各個(gè)器官形狀大小都不一樣,因此反射回來的聲波方向、強(qiáng)度等信息也不同,醫(yī)生通過對反射回來的聲波進(jìn)行分析,再結(jié)合一些醫(yī)學(xué)方面的專業(yè)知識,就可以知道人體內(nèi)部的某些部位是否產(chǎn)生病變。
    在臨床治療中,超聲波主要被用來殺死腫瘤細(xì)胞和超聲針灸,我們知道超聲波的功率很大,利用醫(yī)學(xué)影像技術(shù),將多束超聲波聚焦在病變的細(xì)胞上,控制好照射的強(qiáng)度和時(shí)間,短時(shí)間的溫度將達(dá)到 70~100℃,在保護(hù)周圍組織的同時(shí)殺死了病變細(xì)胞。
    超聲針灸就是利用超聲波技術(shù)來刺激穴位,這種療法對組織沒有損傷,而且具有無痛、無不適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),在治療小孩子或者一些害怕針灸的患者時(shí)有很好的效果。此外,超聲波在體外碎石,理療、牙科等方面也經(jīng)常使用。
    2)超聲清洗
    超聲清洗主要基于空化作用,空化作用總體上就是在有壓力和無壓力作用時(shí),每一秒都進(jìn)行著幾萬次這樣的變換,超聲波在液體內(nèi)部不斷地進(jìn)行透射作用,在沒有壓力作用時(shí),液體內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)真空核泡群,在有壓力作用時(shí),真空核泡群在壓力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力,因此可以帶走物體表面的污垢,完成清洗工作。一些表面凹凸不平的器件,或者特別小難以清洗的部件,例如鐘表、電子元器件、電路板等都可以達(dá)到很好的清洗效果。而且隨著超聲波頻率的升高,空化作用的效果會(huì)減弱,因此超聲波清理的效果很好卻不會(huì)傷害到器件表面。
    3)超聲測距
    由于超聲波的波長相對較短,具有良好的方向性和穿透能力,能量消耗的比較慢,在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)。而且超聲測距的原理簡單,比其他的測距方式都方便容易操作,計(jì)算也比較簡便,測量精度也能滿足要求,因此在一些移動(dòng)式機(jī)器人或者導(dǎo)盲系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。
    3
    超聲波傳感器
    1)超聲波傳感器簡介
    超聲波傳感器是根據(jù)超聲波的一些特性制造出來的,用于完成對超聲波的發(fā)射和接收,內(nèi)部的換能晶片受到電壓的激勵(lì)而發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生超聲波,超聲波的頻率高、波長短、方向性好、可以線性傳播、對液體或者固體有不錯(cuò)的穿透效果,比如一些不透明的物體,超聲波可以穿透幾十米,而且它在遇到雜質(zhì)等等物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象,從而產(chǎn)生回波。
    超聲波 傳感器
    想要用超聲波完成檢測工作,必須要有一個(gè)既可以發(fā)出超聲波又可以接收超聲波的裝置,能實(shí)現(xiàn)這樣功能的裝置我們稱為超聲波傳感器,也叫作超聲波換能器或者超聲探頭。
    超聲波傳感器內(nèi)部的主要部件是壓電晶片,它在受到電壓的刺激時(shí)就可以發(fā)射超聲波,然后由接收端進(jìn)行接收。小功率超聲波傳感器大多用來進(jìn)行檢測,例如一些導(dǎo)盲、坐姿矯正的產(chǎn)品,應(yīng)用的就是小功率傳感器,大功率的超聲波傳感器在生活中并不常見。超聲波傳感器有許多不同的結(jié)構(gòu),可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭(一個(gè)用來發(fā)射、一個(gè)用來接收)等。
    2)超聲波傳感器工作原理
    超聲波傳感器主要由發(fā)送部分、接收部分、控制部分和電源部分構(gòu)成。
    其中,發(fā)送部分由發(fā)送器和換能器構(gòu)成,換能器可以將壓電晶片受到電壓激勵(lì)而進(jìn)行振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為超聲波,發(fā)送器將產(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去;
    接收部分由換能器和放大電路組成,換能器接收到反射回來的超聲波,由于接收超聲波時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),換能器可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,再由放大電路對產(chǎn)生的電信號進(jìn)行放大;
    控制部分就是對整個(gè)工作系統(tǒng)的控制,首先控制發(fā)送器部分發(fā)射超聲波,然后對接收器部分進(jìn)行控制,判斷接收到的是否是由自己發(fā)射出去的超聲波,最后識別出接收到的超聲波的大小;
    電源部分就是整個(gè)系統(tǒng)的供電裝置。這樣,在電源作用下、在控制部分控制下,發(fā)送器與接收器兩者協(xié)同合作,就可以完成傳感器所需的功能。
    3)超聲波發(fā)生器
    為了方便對超聲波的研究和利用,人們設(shè)計(jì)出了許多種類的超聲波發(fā)生器,各種發(fā)生器中超聲波的產(chǎn)生方式不同,有電氣方式也有機(jī)械方式,所以用途也不盡相同。每一種發(fā)生器都有自己的應(yīng)用范圍,但是就目前來講,被普遍使用的還是壓電式超聲波發(fā)生器。
    壓電式超聲波發(fā)生器的關(guān)鍵部分是內(nèi)部的壓電晶片,主要是利用壓電晶片的諧振來工作,發(fā)生器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。
    在發(fā)生器的兩電極之間外加一個(gè)脈沖信號,當(dāng)外加信號的頻率與壓電晶片的頻率相等時(shí),壓電晶片就會(huì)發(fā)生振動(dòng),同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)共振板進(jìn)行振動(dòng),這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生超聲波,這就是超聲波發(fā)生器的發(fā)送端;但是如果發(fā)生器的兩電極之間沒有外加脈沖信號,而共振板又接收到了發(fā)射的超聲波時(shí),就會(huì)迫使壓電晶片發(fā)生振動(dòng),然后產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號,這就是超聲波發(fā)生器的接收端
    超聲波 傳感器
    4)超聲波測距原理
    超聲波測距的原理十分簡單,由超聲波的發(fā)射端發(fā)射一束超聲波,在發(fā)射的同時(shí),計(jì)時(shí)開始,發(fā)射出去的超聲波在介質(zhì)中傳播,聲波具有反射特性,當(dāng)遇到障礙物時(shí)就會(huì)反射回來,當(dāng)超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時(shí),計(jì)時(shí)停止。介質(zhì)為空氣時(shí),聲速為 340m/s,根據(jù)記錄的時(shí)間 t,利用公式(2.1)計(jì)算出發(fā)射位置與障礙物之間的距離。
    超聲波 傳感器
    這就是所謂的時(shí)間差測距法。
    超聲波測距的原理就是已知超聲波在介質(zhì)中的傳播速度,測量出從發(fā)射到接收所需的時(shí)間,根據(jù)測量出的時(shí)間來計(jì)算出障礙物的距離。因此,超聲波測距的原理與回聲定位是一樣的。
    測距的公式如式(2.2)所示:
    超聲波 傳感器
    式中 L 為測量的距離長度;C 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;T 為測量出傳播時(shí)間的一半。
    由于超聲波的波長相對較短,具有良好的方向性和穿透能力,在用作測量時(shí)具有很高的精度,但是仍然有一些因素可以讓超聲波測距產(chǎn)生誤差。
    5)超聲波測距誤差分析
    由超聲波測距的公式可知,測距時(shí)誤差產(chǎn)生的原因主要為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度和測量距離時(shí)超聲波傳播所需要的時(shí)間。
    假設(shè)要求測量距離時(shí)的誤差小于 1mm,已知超聲波在空氣中的傳播速度 C=344m/s (20℃室溫),忽略掉超聲波的傳播誤差。測距誤差 s△t<(0.001/344)≈0.000002907s 即 2.907μs。所以,只要保證測距時(shí)的時(shí)間誤差精度在微妙時(shí),就可以讓測量誤差小于 1mm。
    超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度有關(guān),密度越高的時(shí)候超聲波的傳播速度也就越快,當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí),空氣的密度又與溫度有關(guān),因此超聲波的傳播速度受溫度影響。
    已知超聲波的傳播速度與溫度的關(guān)系如下:
    式中:r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值,對空氣為 1.40,
    R —氣體普適常量,8.314kg·mol-1·K-1,
    M—氣體分子量,空氣為 28.8×10-3kg·mol-1,
    T—絕對溫度,273K+T℃。
    近似公式為:
    超聲波 傳感器
    式中:表示零 0℃時(shí)的聲波傳播速度;T 表示實(shí)際的溫度。
    另外,在利用超聲波測距時(shí)還要考慮環(huán)境因素,其中最為主要的就是溫度的影響,在 0℃和 30℃時(shí),超聲波的速度明顯不同。因此,在進(jìn)行高精度測量時(shí),應(yīng)考慮到溫度變化的影響。
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