超声波传感器的发展与应用

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1、学号:2011传感器原理及工程应用课程报告院物理电子工程学院应用物理级2011级姓名论文题目<1^^9^，：、超声波传感器的发展与应用2015年1月5口超声波传感器的发展与应用摘要：超声波是一种在弹性介质屮的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业屮应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体屮传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程屮有衰减。在空气屮传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ,而在固体、液体屮则频率可用得较高。在空气屮衰减较快，而在液体及固体屮传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成芥种超声传感器，配上不同的电路

2、，制成各种超声测景仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方而得到广泛应用。关键词：超声波传感器应用发展1超声波传感器原理超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，山换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具冇频率高、波长短、绕射现象小，特别是方句性好、能够成为射线而定句传播等特点。超声波对液体、固体的穿透木领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功

3、能的装置就是超声波传感器，＞」惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要屮压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种［1］。晶片的大小，如宵径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器主要材料冇压电晶体（电致仲缩）及镍铁铝合金（磁致仲缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电

4、晶体组成的超声波传感器是一种吋逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同吋它接收到超声波吋，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。冇的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，其结构如图1所示，发送与接收略冇差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60,T/R-40-12等（•其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ,16及12表示艽外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型），它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以

5、作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用冇三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等［7］。2超声波传感器的主要性能指标（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，输出的能暈最人，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产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需耍单独的制冷设备。（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

6、低。（4）结构与工作原理。当电压作用子压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷吋，则会产生一个电荷。利用这一原理,当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电品片元件，施加一个电信号吋，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当句双压电晶片元件施加超声振动吋，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，0的是能冇效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以冇

7、效地使超声波聚集在振动器的中央部位12］。室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度耍达到lnini,并且具有较强的超声波辐射。3超声波传感器的优缺点广泛的说，现在的超声波传感器频率都相对固定，例如40KHz的传感器，只能用在38-42KHZ上，