【正文】 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 主要內(nèi)容 超聲波傳感器 紅外線傳感器 核輻射傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 ? 聲波頻率界限 人耳聽見的波稱 聲波 （機(jī)械波）頻率在 16— 20KHz； 次聲波 ——— 低于 20Hz； 超聲波 ——— 高于 20KHz . 聲波頻率界限 超聲波傳感器 超聲波及物理特性 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 超聲波傳感器 超聲波及物理特性 ? 超聲波技術(shù) 是以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù) 。 通過超聲波的產(chǎn)生 傳播 接受等物理過程完成。 ? 超聲波傳感器主要功能是產(chǎn)生、接收超聲波信號(hào)。 ? 根據(jù)超聲波的各種物理特性，使它在檢測(cè)技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用。 如： 超聲波測(cè)距、測(cè)厚、測(cè)流量、無損探傷、超聲成像 。 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 ? 超聲波在液體、固體中衰減很小， 穿透能力強(qiáng) ，特別是不透光的固體能穿透幾十米； ? 當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生 反射、折射 和波形轉(zhuǎn)換。 ? 超聲波為直線傳播方式，頻率越高繞射越弱，但反射越強(qiáng)，利用這種性質(zhì)可以制成 超聲波測(cè)距 傳感器。 ? 超聲波在空氣中 傳播速度較慢 ， 為 340m/s，這一特點(diǎn)使得超聲波應(yīng)用變得非常簡(jiǎn)單，可以通過測(cè)量波的傳播時(shí)間，測(cè)量距離、厚度等。 超聲波傳感器 超聲波及物理特性 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 ? 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)隨距離的增加能量逐漸衰減， 衰減規(guī)律用聲的能量描述： 0xxp p e???20xxI I e???聲壓 聲強(qiáng) x?： 聲波與聲源之間距離； ： 衰減系數(shù) Np/m（奈培 /米）； : 為 X=0 處聲壓、聲強(qiáng)； 0P 0IxP xI聲波隨 X 增加聲能 由于擴(kuò)散吸收而減弱。 超聲波傳感器 超聲波及物理特性 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 ? 目前市場(chǎng)銷售的超聲波傳感器有兩種形式： 專用型 、兼用型 產(chǎn)品通常標(biāo)有諧振中心頻率： 23KHz、 40KHz、 75KHz、 200KHz、 400KHz。 ? 超聲波傳感器有發(fā)射、接收兩部分 發(fā)射元件 ；利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn) 換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波； 接收元件 ；利用壓電材料正壓電效應(yīng)，將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)。 超聲波傳感器 超聲波傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 ?不同超聲波傳感器工作方式 超聲波傳感器使用時(shí)的兩種形式： 反射式、直射式 超聲波傳感器 超聲波傳感器 c)反射式 ＲＸ ＴＸ ＴＸ ＲＸ a）兼用型 ＴＸ ＲＸ 專用型 b)直射式 發(fā)射探頭 （ TX） 接收探頭 （ RX） 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 各種超聲波傳感器產(chǎn)品 超聲波傳感器 超聲波傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 超聲波傳感器等效電路 超聲波傳感器 超聲波傳感器 C’ C L R 等效電路 電感性 電容性 頻率 fr fa fr:L、 C、 R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率 fa： L、 C、 C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率 電抗特性 超聲波傳感器可等效為一個(gè)RLC的串并聯(lián)諧振電路。由電抗特性可見中間是電感性，兩邊是電容性，這是超聲波傳感器所特有的。其中 頻率低的 fr： L、 C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率；頻率高的 fa： L、 C、 C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率超聲波傳感器在串聯(lián)諧振頻率時(shí)阻抗最小。 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 ? 在超聲波發(fā)送器雙振子施加 40KHz電壓，通過逆壓電效應(yīng)，使壓電振子振動(dòng)發(fā)送出超聲波信號(hào)。接收探頭經(jīng)正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，轉(zhuǎn)換電路將接收到的信號(hào)放大處理。 超聲波傳感器的工作原理 超聲波傳感器 超聲波傳感器 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 雙壓電振子 圓錐形共振盤 柵孔 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 超聲波傳感器 超聲波傳感器 ?壓電晶片為圓形薄片，超聲波頻率 f與圓片厚度成反比； ?阻尼塊吸收聲能，降低機(jī)械品質(zhì)，無阻尼時(shí)，電脈沖停止晶片會(huì)繼續(xù)振蕩，加長(zhǎng)脈沖寬度，使分辨率變差。 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 超聲波傳感器 超聲波傳感器 超聲波測(cè)液位 h h s h 2a h 2a s 超聲波在液體中傳播測(cè)量 超聲波在空氣中傳播測(cè)量 單換能器 從發(fā)射到接收的時(shí)間 ： t = 2h/C 傳感器到液面的距離： h = Ct/2 雙換能器 經(jīng)過的路程： 2S = ct 液位高度： 22h s a??C：超聲波在介質(zhì)中傳播速度 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 ? 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路： 由反向器①②組成 RC 振蕩器經(jīng)門電路完成 功率放大，經(jīng) CP耦合 傳送給超聲波振子產(chǎn) 生超聲發(fā)射信號(hào)。 超聲波傳感器 超聲波傳感器測(cè)距原理 超聲波傳感器發(fā)射基本電路 ? 超聲波傳感器測(cè)距基本電路主要由 振蕩 發(fā)射電路 、 檢測(cè)電路 兩部分組成： 振蕩器頻率調(diào)整 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 超聲波傳感器接收電路 ? 檢測(cè)電路： 超聲波信號(hào)極微弱，需要增益高的放大電路 用于檢測(cè)反射波，輸出的高頻信號(hào)電壓接檢 波、放大、開關(guān)電路輸出或報(bào)警。 超聲波傳感器 超聲波傳感器測(cè)距原理 100倍放大 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 ? 超聲波測(cè)距模塊：最大距離 600cm，最小距離 2cm 超聲波傳感器 超聲波傳感器測(cè)距原理 功放 40KHz OSC 定時(shí)器 前置放大 檢波 平方放大 輸出 VCC 12V 三位 顯示器 被 測(cè) 物 發(fā)送，由 555構(gòu)成多諧振蕩器， RC電路產(chǎn)生 40KHz等幅波放大送功放輸出； 接收，放大、檢波，信號(hào)處理根據(jù)被測(cè)物體的基準(zhǔn)距離設(shè)定反射脈沖時(shí) 間，調(diào)整振蕩器觸發(fā)時(shí)間。定時(shí)器控制觸發(fā)電路和門電路。 傳感器原理及應(yīng)用 第 11章 波與射線傳感器 ? 測(cè)距原理： 40KHz高頻信號(hào)與 20Hz周期信號(hào)調(diào)制成短脈沖群向外發(fā)送， 周期 T=1/20=50ms 340m/s 50ms= 17m 17m/2=8５ 0cm 測(cè)距通過定時(shí)控制電路、觸發(fā)電路、門電路變換為與距離有關(guān)的信號(hào)，用時(shí)鐘脈沖對(duì)這個(gè)信號(hào)的發(fā)送和接收之間的延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出值就是檢測(cè)的距離 。 ? 時(shí)鐘周期 T=1/40KHz=25