超聲波傳感器的工作原理解釋

人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業(yè)中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體 中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則 頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲 測量儀器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應用。

超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致 伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能 轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中 傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等 (其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計)。另有一種密封式超聲波傳感器(MA40EI型)。它的 特點是具有防水作用(但不能放入水中)，可以作料位及接近開關用，它的性能較好。超聲波應用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近 開關等;分離式反射型用于測距、液位或料位;反射型用于材料探傷、測厚等。

由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制 部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻 射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超進行檢測.而實 際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進 行控制。

工作程式

若對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶 瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器 是利用壓力傳感器所采用的壓電效應的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應變，則產(chǎn)生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電 壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時發(fā)出警 告。所設計的檢測系統(tǒng)可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車， 借助倒車障礙報警檢測系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會減少，并可以游刃有余地采取必要的動作。

系統(tǒng)構(gòu)成

由發(fā)送傳感 器 ( 或稱波發(fā)送器 ) 、接收傳感器 ( 或稱波接收器 ) 、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振 子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機械振動， 將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超進行檢測 . 而實際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子。 控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進行控制。超聲波傳感器電源 ( 或稱信號源 ) 可 用 DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 % 。

工作模式

超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。

檢測模式

超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。

還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對射式超聲波傳感器包括一個發(fā)射器和一個接收器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接收器和發(fā)射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關信號。

檢測范圍和聲波發(fā)射角

超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300~500mm 波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達8m。一些傳感器具有較窄的6o聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發(fā)射角在12o至15o的 傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)更適合檢測安裝空間有限的場合。

審核編輯：湯梓紅