超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座

超聲波傳感器原理與應(yīng)用超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第1頁超聲波傳感器特征超聲波特征壓電式超聲波傳感器基本工作原理超聲波傳感器特征超聲波傳感器測距基本原理實訓(xùn)1：超聲波傳感器特征測試超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第2頁超聲波特征什么是超聲波？人耳可聽到聲音頻率為20Hz～20kHz之間。人耳聽不到聲波：當(dāng)頻率高于20kHz稱為超聲波；頻率低于20Hz稱為次聲波。超聲波特征：超聲波為直線傳輸方式，頻率越高，就越靠近光學(xué)反射、折射等特征。所以可利用上述性質(zhì)制成超聲波傳感器。超聲波在空氣中傳輸速度較慢，為340m/s，所以超聲波傳感器使用變得非常簡單。超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第3頁超聲波波動模式當(dāng)聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳輸方向不一樣時，聲波波型也不一樣。通常有：①縱波：質(zhì)點振動方向與波傳輸方向一致波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳輸；②橫波：質(zhì)點振動方向垂直于傳輸方向波，它只能在固體介質(zhì)中傳輸；③表面波：質(zhì)點振動介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鬏敚湔穹S深度增加而快速衰減波，表面波只在固體表面?zhèn)鬏敗３暡▊鞲衅鞯奶匦詫I(yè)知識講座第4頁壓電式超聲波傳感器基本工作原理

超聲波傳感器按原理劃分有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等等，其中壓電式最慣用，我們以壓電式為代表重點介紹。人們利用壓電材料壓電效應(yīng)制成壓電式超聲波傳感器（由發(fā)送器和接收器組成）。壓電效應(yīng)有正向壓電效應(yīng)和逆向壓電效應(yīng)。超聲波傳感器是可逆元件。超聲波發(fā)送器是利用逆向壓電效應(yīng)制成——即在壓電元件上施加電壓，元件就變形（也稱應(yīng)變）引發(fā)空氣振動產(chǎn)生超聲波，超聲波一疏密波形式傳輸，傳送給超聲波接收器。而超聲波接收器是利用正向壓電效應(yīng)制成——即接收到超聲波促使接收器振子伴隨對應(yīng)頻率進行振動，因為存在正向壓電效應(yīng)，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同高頻電壓。當(dāng)然這種電壓非常小，必須采取放大器進行放大。超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第5頁基座雙壓電陶瓷晶片錐形振子屏蔽柵外殼空氣中用超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如右圖所表示，采取雙壓電陶瓷晶片結(jié)構(gòu)。將雙壓電陶瓷晶片固定安裝在基座上，為了增強其效果，在壓電晶片上面加裝了錐形振子，最終將其裝在金屬殼體中并伸出兩根引線。發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時，超聲波振動集中于振子中心，所以能產(chǎn)生高效率高頻電壓。超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第6頁超聲波傳感器選型

普通市售超聲波傳感器有專用型和兼用型兩種：專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器諧振頻率（即壓電元件中心頻率）為23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等。因為超聲波在空氣中傳輸時衰減很大，衰減程度與頻率成正比，不過諧振頻率越高則分辨率也會越高，則檢測距離變短，所以短距離測量時普通選頻率高傳感器（100KHZ以上），長距離測距只能選頻率低傳感器。

超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第7頁超聲波傳感器特征

現(xiàn)以專用在空氣中傳輸成對配套使用超聲發(fā)射器與接收器為例來介紹：通常發(fā)送傳感器工作于輸出最大串聯(lián)諧振頻率，而接收傳感器工作于接收靈敏度最高并聯(lián)諧振頻率；經(jīng)過試驗我們發(fā)覺，發(fā)送傳感器串聯(lián)諧振頻率與接收傳感器并聯(lián)諧振頻率幾乎一致。所以超聲波傳感器在實際應(yīng)用時，都是在諧振頻率附近使用。超聲波接收頭必須采取與發(fā)射頭對應(yīng)型號，關(guān)鍵是諧振頻率要一致，不然將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。

另外，超聲波傳感器含有高阻特征，驅(qū)動電流小，要求驅(qū)動電壓較高，是電壓驅(qū)動型傳感器。

超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第8頁超聲波傳感器特征

本系統(tǒng)所使用發(fā)射器和接收器是以中心頻率（或諧振頻率）和直徑為參數(shù)來劃分：其型號為TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示傳感器工作中心頻率（或諧振頻率）為40kHz，16表示傳感器外形直徑為16mm，在發(fā)射頭和接收頭上，我們會看到T和R字樣，就是分別對應(yīng)發(fā)射器和接收器。TCT40-16T發(fā)射頭普通來講工作電壓能夠到100V左右；所發(fā)射超聲波采取固定中心頻率（或諧振頻率）為40kHz波形驅(qū)動，且占空比要求為50%；兩個引腳沒有正負(fù)（因為是交流驅(qū)動發(fā)射），真要分個正負(fù)話就把有接外殼那個腳接到應(yīng)用電路地（這么輸出信號是對地）。這種傳感器帶寬較窄、含有單峰特征，即在中心頻率處靈敏度最高，輸出信號幅度最大，也幾乎在這個頻點，接收器接收靈敏度最高，而在中心頻率兩側(cè)則快速衰減。

超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第9頁超聲波傳感器慣用檢測方式穿透式超聲波傳感器檢測方式

當(dāng)物體在發(fā)射器與接收器之間經(jīng)過時，檢測超聲波束衰減或遮擋情況，從而判斷有沒有物體經(jīng)過。這種檢測方式除普通物體外，還能夠檢測透明體。反射式超聲波傳感器檢測方式

當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測物體時，僅檢測設(shè)定距離內(nèi)物體放射波方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有沒有物體經(jīng)過。當(dāng)被檢測物體檢測面是平面時，可檢測透明體。當(dāng)被檢測物體相對傳感器檢測面為傾斜時，則有時不能檢測到被測物體。

超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第10頁實訓(xùn)1：超聲波傳感器特征測試實訓(xùn)目標(biāo)：掌握超聲波測距傳感器學(xué)會基本測試使用方法。了解超聲波傳感器幅頻特征，確定其此超聲波傳感器中心頻率（或諧振頻率）實訓(xùn)條件：TCT40-16T/R超聲波傳感器一套、信號發(fā)生器一臺、示波器一臺，直尺一把

超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第11頁實訓(xùn)1：超聲波傳感器特征測試實訓(xùn)方法：一、設(shè)置試驗環(huán)境：步驟1：調(diào)整信號發(fā)生器輸出方波信號，其峰峰值可在2V~10V范圍調(diào)整，頻率可在30K～49K范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)整，要求經(jīng)過示波器確認(rèn)信號幅度及頻率輸出情況。步驟2：將方波信號輸出端子接到超聲波傳感器發(fā)射頭兩個輸入引腳，將示波器接地端子和信號端子分別連接超聲波傳感器接收頭兩個輸出引腳。步驟3：固定發(fā)射頭與接收頭間距為10cm，并將發(fā)射頭對準(zhǔn)接收頭，準(zhǔn)備測試接收頭接收到同頻信號電壓。超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第12頁實訓(xùn)1：超聲波傳感器特征測試信號發(fā)生器示波器發(fā)射頭接收頭TR探頭超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第13頁實訓(xùn)1：超聲波傳感器特征測試二、測試超聲波傳感器幅頻特征：步驟1：調(diào)整信號發(fā)生器輸出方波信號峰峰值為10V，本測試要確保輸出幅度恒定情況下進行。步驟2：調(diào)整方波信號頻率，使其在30K～49K范圍內(nèi)改變，用示波器觀察超聲波接收頭輸出信號波形，記下值。請按照以下表格設(shè)置頻率數(shù)據(jù)要求進行測試，總計測試30對數(shù)據(jù)。注意：要求測試每對數(shù)據(jù)時，要求先用示波器準(zhǔn)確調(diào)試信號發(fā)生器輸出方波信號后，再驅(qū)動發(fā)射頭，測試接收頭產(chǎn)生同頻信號電壓。實訓(xùn)作業(yè)1：分析30對統(tǒng)計數(shù)據(jù)，繪制輸出~f關(guān)系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特征結(jié)論。并確定其中心頻率。超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第14頁實訓(xùn)1：超聲波傳感器特征測試f(kHz)30K31K32K33K34K35K35.5K36K36.5K37K(V)f(kHz)37.5K38K38.5K39K39.5K40K40.5K41K41.5K42K(V)f(kHz)42.5K43K43.5K44K44.5K45K46K47K48K49K(V)表1：測試超聲波傳感器幅頻特征超聲波傳感器的特性專業(yè)知識講座第15頁實訓(xùn)1：超聲波傳感器特征測試三、在中心頻率下測試超聲波傳感器傳輸特征：步驟1：調(diào)整信號發(fā)生器輸出方波頻率為中心頻率，本測試要求確保在中心頻率下進行測定。步驟2：調(diào)整方波信號幅度，使其峰峰值在2V～12V范圍內(nèi)改變，設(shè)置輸入不一樣峰峰值方波信號來驅(qū)動發(fā)射頭，用示波器觀察超聲波接收頭輸出信號波形，記下值，研究驅(qū)動信號幅度改變對超聲波傳感器傳輸特征影響。要求在2V～12V范圍內(nèi)按照以下表格設(shè)置值測試輸出信號值，總計測試20對數(shù)據(jù)。

注意：要求測試每對數(shù)據(jù)時，必須先用示波器調(diào)試輸出準(zhǔn)確幅度、頻率方波信號后，再驅(qū)動發(fā)射頭，進而測試接收頭接收到同頻信號電壓。實訓(xùn)作業(yè)2：分析20對統(tǒng)計數(shù)據(jù)，繪制輸出～關(guān)系曲線，得出超聲波傳感器傳輸特征結(jié)論。超聲波傳感器