【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 該彈性介質(zhì)中。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文6 正壓電效應(yīng)當(dāng)對(duì)某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的形變將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。利用正壓電效應(yīng)制成將機(jī)械能（即聲能）轉(zhuǎn)換成電能，并用來(lái)接收超聲波的裝置，稱為接收傳感器。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波發(fā)生器是一個(gè)超聲頻電子振蕩器，當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生超聲頻電壓加到超聲波傳感器的壓電陶瓷上時(shí)，壓電陶瓷組件就在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生縱向振動(dòng)。壓電組件在超聲振蕩時(shí)，仿佛是一個(gè)小活塞，其振幅很小，但是這種振動(dòng)加速度很大，于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能量，這種巨大的超聲波能量 沿著特定方向傳播出來(lái)。其關(guān)鍵技術(shù)就是使超聲波聲束變細(xì)，除待測(cè)物體外，不受其它構(gòu)造物的影響。超聲波傳感器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉(zhuǎn)換裝置，它能把超聲波電磁振蕩的能量轉(zhuǎn)換為聲波。相鄰兩片的壓電陶瓷片極化方向相反，芯片的數(shù)目成偶數(shù)，以使前后金屬蓋板或殼體與同一極性的電極相連，否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不必要的增大。兩芯片之間，芯片與金屬蓋板之間通常夾以薄黃銅片，作為焊接電極引線用，芯片，電極銅片用強(qiáng)力膠粘合。在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸和圓錐狀諧振子連成一體，圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)狀彈性橡膠減振器，使之與外殼固定，起聲阻匹配作用。在電—聲變換部分的前面的超聲波束整形板，使對(duì)應(yīng)圓錐狀諧振子的振動(dòng)模式設(shè)置幾個(gè)開口。使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波[20]。通過(guò)上述超聲波傳感器結(jié)構(gòu)，配以適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)電路，可以使超聲能量定向傳輸，并按預(yù)期接收反射波，實(shí)現(xiàn)超聲遙控、測(cè)距、防盜等檢測(cè)功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。電極 壓電晶片共振極圖21 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文7 超 聲 波 傳 感 器 的 分 類超聲波傳感器根據(jù)應(yīng)用范圍的不同可以分為以下四類： 通用性超聲波傳感器超聲波傳感器的帶寬一般為幾kHz，并具有選頻特性。通用型超聲波傳感器的頻帶窄，但是靈敏度較高，抗干擾性強(qiáng)。但是通用型接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的，測(cè)量中必須成對(duì)兒使。在多通道通信使用時(shí)器件比較多，使用不方便，此時(shí)采用寬頻帶傳感器較為方便。因?yàn)閷掝l帶傳感器發(fā)送和接收是以各探頭的傳感器輸出開路時(shí)，其輸出電壓較高，但是阻抗也高，易受噪聲的影響，通常要接入一個(gè)幾k到幾百k的電阻。 寬帶型超聲波傳感器 寬帶型超聲波傳感器在工作帶寬內(nèi)具有二個(gè)諧振頻率，即具有二個(gè)諧振點(diǎn)。所以，一個(gè)傳感器可以兼作發(fā)送傳感器和接收傳感器。寬帶傳感器具有兩個(gè)諧振頻率，其頻率特性就相當(dāng)于兩種產(chǎn)感器的結(jié)合。因此，在很寬頻帶范圍內(nèi)具有較高的靈敏度。 密封性超聲波傳感器密封型超聲波傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，可應(yīng)用于汽車后方檢測(cè)物體的裝置以及待時(shí)計(jì)算器等。 高頻性超聲波傳感器上述各類型傳感器的中心頻率只有十kHz，但是中心頻率高于100kHz的傳感器近年來(lái)也有銷售。 超 聲 波 發(fā) 射 器超聲波發(fā)射器的基本性能如表23所示。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文8表23 超聲波發(fā)射器工作原理 變換元件效應(yīng) 機(jī)理傳感器名發(fā)射元件 典型材料反電壓高頻電致形變，微波諧振腔中置入壓電棒，使之振蕩壓電型發(fā)射器，壓電型微波聲波發(fā)射器壓電型晶體板壓電型晶體膜壓電晶體棒 石英、鈮酸鋰、硫酸鋰、羅歇爾鹽、硫酸鎘、氧化鋅電致伸縮在極化電致伸縮材料上加以高頻電壓起振電致伸縮發(fā)生器高分子電致伸縮膜無(wú)機(jī)電致伸縮板、無(wú)機(jī)電致伸縮膜PVDF鈦酸鋇鈦酸鋯酸鉛（PZT）PZT動(dòng)電將動(dòng)圈與振動(dòng)板固定，放入恒磁場(chǎng)中，加交流電使之振動(dòng)動(dòng)圈發(fā)射器 振動(dòng)板與動(dòng)圈 硬鋁電磁在磁性振蕩所處的激勵(lì)線圈中加入交流電、使交流磁場(chǎng)引起振動(dòng)板振動(dòng)電磁型發(fā)射器 軟磁性薄板 坡莫合金磁致伸縮偏置磁場(chǎng)上加交流磁場(chǎng)使磁致伸縮板變形振動(dòng)、在靜磁場(chǎng)偏置下通過(guò)微波的強(qiáng)磁性共振產(chǎn)生超聲波磁致伸縮發(fā)射器磁致伸縮薄板磁致伸縮鐵氧體鎳、阿爾費(fèi)羅超聲波發(fā)射器的作用是形成與被檢測(cè)相作用的超聲波束，他的特性包括共振頻率、方向性、電聲變換效率、穩(wěn)定性等。按照所使用領(lǐng)域的不同，超聲波束可以是強(qiáng)方向性的、扇狀的、無(wú)方向的形狀，還有些發(fā)射器附帶有調(diào)整層，以便發(fā)射波與媒質(zhì)的音內(nèi)阻抗相匹配。超聲波發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括，反壓電效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)、動(dòng)電效應(yīng)、電磁效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)等它恰好是上述超聲波接收的相反作用，所以從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，發(fā)射與接收呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 超 聲 波 接 收 器表24給出了超聲波接收器的基本性能，如表24所示，接收原理基于伴隨聲波西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文9而產(chǎn)生的電容、壓電、反壓電、動(dòng)電、電磁、反磁致伸縮聲光效應(yīng)等。優(yōu)點(diǎn)是與空氣的聲阻抗匹配良好，頻帶寬。壓電型主要用石英晶體或氧化鋅材料。電致伸縮型微音器的接受器用反電壓效應(yīng)大的電介質(zhì)板作為接收器。結(jié)構(gòu)上由采用PVDF膜作為受音體，也有采用鈦酸、鋯酸鉛系列陶瓷以板狀或圓桶型受音體的結(jié)構(gòu)形式。在壓電膜上制作梳狀電極，可以構(gòu)成檢測(cè)超高頻段的聲表面波的傳感器。動(dòng)圈式微音器的結(jié)構(gòu)為在磁場(chǎng)中防止帶有受音板的可動(dòng)線圈或?qū)w帶，當(dāng)它們因超聲波而運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于受音體慣性大，因而只適用于低頻。電磁效應(yīng)型接收器的結(jié)構(gòu)是將磁性受音板作為磁路的一部分，在磁路中設(shè)置拾音線圈。當(dāng)超聲波傳來(lái)時(shí)，受音板發(fā)生位移，使磁路磁場(chǎng)發(fā)生變化，在拾音線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)?；诜创胖律炜s效應(yīng)的超聲波接收器構(gòu)造主要有用磁致性伸縮材料構(gòu)成的線圈狀結(jié)構(gòu)，適用于低頻。還有用磁致伸縮材料涂敷在物體表面上鑲成的結(jié)構(gòu)，適用于高頻，前者檢測(cè)感應(yīng)電流；后者檢測(cè)置于靜磁場(chǎng)空腔諧振器內(nèi)，因超聲波導(dǎo)致磁阻致伸縮效應(yīng)引起的微波磁場(chǎng)。聲光效應(yīng)構(gòu)成的超聲波傳感器有利于光纖的波導(dǎo)部分的形變敏感構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，也有利于利用對(duì)彈性體表面或內(nèi)部彈性波束的衍射品格作用形成的結(jié)構(gòu)。表24 超聲波接收器工作原理效應(yīng) 機(jī)理傳感器件 傳感部分 典型材料電容對(duì)聲波敏感的電容量變化引起電容變化電容式微音器 涂敷金屬受壓膜 聚酯壓電 聲壓使壓電晶體上 產(chǎn)生電壓 壓電型波接 收器 壓電型結(jié)晶板壓電型結(jié)晶薄膜石英晶體、鈮酸鋰、硫酸鋰、羅歇爾鹽、硫化鎘、氧化鋅反電致伸縮聲壓使電致伸縮材料上產(chǎn)生電壓電致伸縮型微音器高分子電致伸縮膜，無(wú)機(jī)電致伸縮板、無(wú)機(jī)電致伸縮膜PVDF+PZT粉鈦酸鋯酸，鉛鈮酸，鈦酸，鋇PZT系動(dòng)電超聲波驅(qū)動(dòng)固定在動(dòng)圈上的振動(dòng)板，切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)圈式微音器 受音板+動(dòng)圈 硬鋁西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文10電磁磁性同路中磁板因?yàn)槌暡ㄕ駝?dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電磁型受波器 受壓磁性板 坡莫合金反磁致伸縮受壓磁致伸縮板的形變引起磁場(chǎng)變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流磁致伸縮受波器受壓磁致伸縮板磁致伸縮薄膜金屬∶鎳、阿爾費(fèi)羅磁：NiCu鐵氧體Ni，坡莫合金 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮 傳 感 器 的 指 向 角 θ傳感器的指向角是聲束半功率角的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響測(cè)距的分辨率。對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō)，它的大小與工作波長(zhǎng)λ，傳感器半徑r有關(guān)。見公式（21）sin = （21）?)2(??)2(?選f =40kHz時(shí)， =。當(dāng)f 選定后，指向角θ近似于傳感器半徑成0 0fC??0反比。指向角θ愈小，空間分辨率愈高，則要求傳感器半徑r愈大。鑒于目前電子市場(chǎng)的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低本次設(shè)計(jì)成本，在不降低空間分辨率的情況下，選用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r=，故 =75)(2r??????o 聲 速由公式（23 ）可以看出，聲速的精確程度線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。傳播介質(zhì)中聲速的傳播速度隨溫度雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為 （2)(431V??2）式中，T是溫度。由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)公式22計(jì)算出為340mm/ms。 測(cè) 量 盲 區(qū)在傳感器以脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測(cè)儀器阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文11要注意的。由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離成為盲區(qū) [18]，其具體分析如下：當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一段極短時(shí)間，但是停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定的余振（由于機(jī)械慣性作用）。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具有一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平V ；另外，接收探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使M在離探頭較近的表面發(fā)射回來(lái)的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng)，其幅值也愈來(lái)愈小。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定閾值V ，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能使接m收放大器由輸入信號(hào)。 超聲波傳感器模塊設(shè)計(jì)原理超聲波測(cè)距的常用方法有渡越時(shí)間法、頻差法、幅值法等。其中，渡越時(shí)間法因其原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，而被廣泛采用。利用超聲波傳感器采取渡越時(shí)間法測(cè)量距離的基本原理是：超聲波測(cè)距模塊單片機(jī)控制器通過(guò)發(fā)送一定頻率的脈沖信號(hào)，激勵(lì)超聲波發(fā)射器產(chǎn)生超聲波，超聲波通過(guò)介質(zhì)到達(dá)物體表面，形成反射波，反射波再經(jīng)介質(zhì)傳播返回到接收器，由接收器把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由控制器測(cè)出超聲波從發(fā)射聲波到接收所需的時(shí)間，再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度用距離公式計(jì)算出被測(cè)距離。見公式（23） （23）ct21s?式中，S為物體距離超聲波測(cè)距儀的距離；c為超聲波在傳播介質(zhì)中的傳播速度；t為從發(fā)射超聲波至接收到回波脈沖的時(shí)間間隔。超聲波傳感器測(cè)距簡(jiǎn)單模塊圖如圖22 所示。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文12控制部分障礙物超聲波傳感器（發(fā)射）超聲波傳感器（接收）圖 22 測(cè) 距 模 塊 圖因超聲波在介質(zhì)中的傳播速度還與環(huán)境的溫度有關(guān)，所以本設(shè)計(jì)為了提高測(cè)量精度，設(shè)計(jì)中采用DS18B20 溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。另外本設(shè)計(jì)作為一個(gè)工程系統(tǒng)，還考慮其可行性、可靠性的要求。 典型的超聲波傳感器測(cè)距模塊典型的超聲波測(cè)距系統(tǒng)一般由超聲波傳感器、傳感器驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。超聲波傳感器的主要作用是發(fā)射和接收超聲波信號(hào)。傳感器驅(qū)動(dòng)電路是用來(lái)產(chǎn)生一定頻率的交變電壓作為傳感器的工作電源。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是用來(lái)捕捉并采集回波信號(hào)的，一般由觸發(fā)器、采樣電路和微處理器組成。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了超聲波測(cè)距專用集成電路。雖然它們作為驅(qū)動(dòng)電源輸出功率較小，只能實(shí)現(xiàn)近距離的測(cè)量，回波觸發(fā)部分精度也較低，但是由于集成電路有使用簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，仍經(jīng)常被用在一般工業(yè)領(lǐng)域中。較為常見的超聲波測(cè)距系統(tǒng)一般基于超聲波集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如LM1812，LM1812是一種超聲波測(cè)距的專用集成電路，它集成了傳感器驅(qū)動(dòng)、回波觸發(fā)等功能。芯片內(nèi)部包括：脈沖調(diào)制C類振蕩器、高增益接收器、脈沖調(diào)制檢測(cè)器及噪音抑制器。本設(shè)計(jì)基于經(jīng)典的超聲波測(cè)距模塊，參考其電路的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想，完成了自己的超聲波傳感器測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文13第 3 章 超聲波傳感器測(cè)距模塊的硬件設(shè)計(jì)由超聲波測(cè)距公式（23）知： ，其中c為超聲波的傳播速度， t為超聲波2ts?從發(fā)射到接收的往返時(shí)間。由于超聲波在大氣中的傳播速度v相對(duì)穩(wěn)定，因此可以看出，測(cè)距精度的關(guān)鍵在于測(cè)距系統(tǒng)能獲得較高精度t 的值。本章涉及了AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波傳感器模塊測(cè)距系統(tǒng)，將通過(guò)單片機(jī)外圍擴(kuò)展硬件電路來(lái)升高計(jì)數(shù)參考頻率，以提高對(duì)時(shí)間t的測(cè)量精度，以最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并優(yōu)化系統(tǒng)，提高測(cè)距精度。 超聲波傳感器測(cè)距模塊的總體本設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。障礙物超聲波傳感器超聲波傳感器功率放大電路 脈沖發(fā)生器單片機(jī)控制系統(tǒng)低通濾波一級(jí)放大 二級(jí)比較器距離顯示溫度補(bǔ)償圖31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖如上，系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)射、超聲波回波信號(hào)的接收、溫度補(bǔ)償?shù)葞撞糠纸M成。目前電子市場(chǎng)常見的超聲波傳感器是收發(fā)分體式，一般要求的頻率是40kHz。如果需要更高頻率的超聲波探頭，比如幾百赫茲或者幾兆赫茲的頻率，就需要聯(lián)系專業(yè)經(jīng)營(yíng)超聲產(chǎn)品的廠商購(gòu)買或者定制了。鑒于畢業(yè)設(shè)計(jì)的條件和設(shè)計(jì)精度的要求，本文選用的超聲探頭是40kHz超聲波傳感器T/R40—16。其特性參數(shù)圖