【文章內容簡介】 彈性介質中。西南科技大學本科生畢業(yè)論文6 正壓電效應當對某電介質施加應力時，產(chǎn)生的形變將引起內部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成正比，這種效應稱為正壓電效應。利用正壓電效應制成將機械能（即聲能）轉換成電能，并用來接收超聲波的裝置，稱為接收傳感器。超聲波傳感器的結構超聲波發(fā)生器是一個超聲頻電子振蕩器，當把振蕩器產(chǎn)生超聲頻電壓加到超聲波傳感器的壓電陶瓷上時，壓電陶瓷組件就在電場作用下產(chǎn)生縱向振動。壓電組件在超聲振蕩時，仿佛是一個小活塞，其振幅很小，但是這種振動加速度很大，于是把電磁振蕩能量轉化為振動能量，這種巨大的超聲波能量 沿著特定方向傳播出來。其關鍵技術就是使超聲波聲束變細，除待測物體外，不受其它構造物的影響。超聲波傳感器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉換裝置，它能把超聲波電磁振蕩的能量轉換為聲波。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，會導致結構不必要的增大。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，電極銅片用強力膠粘合。在壓電組件的中央部分用結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，使對應圓錐狀諧振子的振動模式設置幾個開口。使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波[20]。通過上述超聲波傳感器結構，配以適當?shù)氖瞻l(fā)電路，可以使超聲能量定向傳輸，并按預期接收反射波，實現(xiàn)超聲遙控、測距、防盜等檢測功能。本系統(tǒng)設計中所用超聲波傳感器內部結構如圖 21 所示。電極 壓電晶片共振極圖21 超聲波傳感器結構西南科技大學本科生畢業(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。但是通用型接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的，測量中必須成對兒使。在多通道通信使用時器件比較多，使用不方便，此時采用寬頻帶傳感器較為方便。因為寬頻帶傳感器發(fā)送和接收是以各探頭的傳感器輸出開路時，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具有二個諧振頻率，即具有二個諧振點。所以，一個傳感器可以兼作發(fā)送傳感器和接收傳感器。寬帶傳感器具有兩個諧振頻率，其頻率特性就相當于兩種產(chǎn)感器的結合。因此，在很寬頻帶范圍內具有較高的靈敏度。 密封性超聲波傳感器密封型超聲波傳感器對環(huán)境的適應性強，可應用于汽車后方檢測物體的裝置以及待時計算器等。 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 機理傳感器名發(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機電致伸縮板、無機電致伸縮膜PVDF鈦酸鋇鈦酸鋯酸鉛（PZT）PZT動電將動圈與振動板固定，放入恒磁場中，加交流電使之振動動圈發(fā)射器 振動板與動圈 硬鋁電磁在磁性振蕩所處的激勵線圈中加入交流電、使交流磁場引起振動板振動電磁型發(fā)射器 軟磁性薄板 坡莫合金磁致伸縮偏置磁場上加交流磁場使磁致伸縮板變形振動、在靜磁場偏置下通過微波的強磁性共振產(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、阿爾費羅超聲波發(fā)射器的作用是形成與被檢測相作用的超聲波束，他的特性包括共振頻率、方向性、電聲變換效率、穩(wěn)定性等。按照所使用領域的不同，超聲波束可以是強方向性的、扇狀的、無方向的形狀，還有些發(fā)射器附帶有調整層，以便發(fā)射波與媒質的音內阻抗相匹配。超聲波發(fā)射器的驅動機構包括，反壓電效應、電致伸縮效應、動電效應、電磁效應、磁致伸縮效應等它恰好是上述超聲波接收的相反作用，所以從結構上來看，發(fā)射與接收呈一一對應關系。 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本科生畢業(yè)論文9而產(chǎn)生的電容、壓電、反壓電、動電、電磁、反磁致伸縮聲光效應等。優(yōu)點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大的電介質板作為接收器。結構上由采用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構形式。在壓電膜上制作梳狀電極，可以構成檢測超高頻段的聲表面波的傳感器。動圈式微音器的結構為在磁場中防止帶有受音板的可動線圈或導體帶，當它們因超聲波而運動時，產(chǎn)生感應電動勢，由于受音體慣性大，因而只適用于低頻。電磁效應型接收器的結構是將磁性受音板作為磁路的一部分，在磁路中設置拾音線圈。當超聲波傳來時，受音板發(fā)生位移，使磁路磁場發(fā)生變化，在拾音線圈中產(chǎn)生電動勢?；诜创胖律炜s效應的超聲波接收器構造主要有用磁致性伸縮材料構成的線圈狀結構，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構，適用于高頻，前者檢測感應電流；后者檢測置于靜磁場空腔諧振器內，因超聲波導致磁阻致伸縮效應引起的微波磁場。聲光效應構成的超聲波傳感器有利于光纖的波導部分的形變敏感構成的結構，也有利于利用對彈性體表面或內部彈性波束的衍射品格作用形成的結構。表24 超聲波接收器工作原理效應 機理傳感器件 傳感部分 典型材料電容對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 壓電型結晶板壓電型結晶薄膜石英晶體、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，無機電致伸縮板、無機電致伸縮膜PVDF+PZT粉鈦酸鋯酸，鉛鈮酸，鈦酸，鋇PZT系動電超聲波驅動固定在動圈上的振動板，切割磁力線產(chǎn)生電動勢動圈式微音器 受音板+動圈 硬鋁西南科技大學本科生畢業(yè)論文10電磁磁性同路中磁板因為超聲波振動，產(chǎn)生感應電動勢電磁型受波器 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變化，產(chǎn)生感應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，是影響測距的一個重要技術參數(shù)，它直接影響測距的分辨率。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長λ，傳感器半徑r有關。見公式（21）sin = （21）?)2(??)2(?選f =40kHz時， =。當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。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低本次設計成本，在不降低空間分辨率的情況下，選用國產(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距系統(tǒng)的測量精度。傳播介質中聲速的傳播速度隨溫度雜質含量，和介質壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為 （2)(431V??2）式中，T是溫度。由于該測距系統(tǒng)用于室內測量，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計算出為340mm/ms。 測 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)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時，在短時間內放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀器阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需西南科技大學本科生畢業(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題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內，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：當發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一段極短時間，但是停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定的余振（由于機械慣性作用）。因此，在一段較長時間內，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具有一定幅值高度，可以達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卻遠比發(fā)射信號小，即使M在離探頭較近的表面發(fā)射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平。當反射面離探頭愈來愈遠，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達到規(guī)定閾值V ，亦即接收信號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。 超聲波傳感器模塊設計原理超聲波測距的常用方法有渡越時間法、頻差法、幅值法等。其中，渡越時間法因其原理簡單，實現(xiàn)方便，而被廣泛采用。利用超聲波傳感器采取渡越時間法測量距離的基本原理是：超聲波測距模塊單片機控制器通過發(fā)送一定頻率的脈沖信號，激勵超聲波發(fā)射器產(chǎn)生超聲波，超聲波通過介質到達物體表面，形成反射波，反射波再經(jīng)介質傳播返回到接收器，由接收器把聲波信號轉換成電信號，由控制器測出超聲波從發(fā)射聲波到接收所需的時間，再根據(jù)超聲波在介質中的傳播速度用距離公式計算出被測距離。見公式（23） （23）ct21s?式中，S為物體距離超聲波測距儀的距離；c為超聲波在傳播介質中的傳播速度；t為從發(fā)射超聲波至接收到回波脈沖的時間間隔。超聲波傳感器測距簡單模塊圖如圖22 所示。西南科技大學本科生畢業(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 距 模 塊 圖因超聲波在介質中的傳播速度還與環(huán)境的溫度有關，所以本設計為了提高測量精度，設計中采用DS18B20 溫度傳感器進行溫度補償。另外本設計作為一個工程系統(tǒng)，還考慮其可行性、可靠性的要求。 典型的超聲波傳感器測距模塊典型的超聲波測距系統(tǒng)一般由超聲波傳感器、傳感器驅動電路及數(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。傳感器驅動電路是用來產(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)主要是用來捕捉并采集回波信號的，一般由觸發(fā)器、采樣電路和微處理器組成。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了超聲波測距專用集成電路。雖然它們作為驅動電源輸出功率較小，只能實現(xiàn)近距離的測量，回波觸發(fā)部分精度也較低，但是由于集成電路有使用簡單，成本低的優(yōu)點，仍經(jīng)常被用在一般工業(yè)領域中。較為常見的超聲波測距系統(tǒng)一般基于超聲波集成電路進行設計，例如LM1812，LM1812是一種超聲波測距的專用集成電路，它集成了傳感器驅動、回波觸發(fā)等功能。芯片內部包括：脈沖調制C類振蕩器、高增益接收器、脈沖調制檢測器及噪音抑制器。本設計基于經(jīng)典的超聲波測距模塊，參考其電路的設計理念和設計思想，完成了自己的超聲波傳感器測距模塊的設計。西南科技大學本科生畢業(yè)論文13第 3 章 超聲波傳感器測距模塊的硬件設計由超聲波測距公式（23）知： ，其中c為超聲波的傳播速度， t為超聲波2ts?從發(fā)射到接收的往返時間。由于超聲波在大氣中的傳播速度v相對穩(wěn)定，因此可以看出，測距精度的關鍵在于測距系統(tǒng)能獲得較高精度t 的值。本章涉及了AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波傳感器模塊測距系統(tǒng)，將通過單片機外圍擴展硬件電路來升高計數(shù)參考頻率，以提高對時間t的測量精度，以最終實現(xiàn)系統(tǒng)設計并優(yōu)化系統(tǒng)，提高測距精度。 超聲波傳感器測距模塊的總體本設計系統(tǒng)總體結構框圖如圖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)生器單片機控制系統(tǒng)低通濾波一級放大 二級比較器距離顯示溫度補償圖31 系統(tǒng)結構框圖該系統(tǒng)總體方案設計框圖如上，系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)射、超聲波回波信號的接收、溫度補償?shù)葞撞糠纸M成。目前電子市場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)營超聲產(chǎn)品的廠商購買或者定制了。鑒于畢業(yè)設計的條件和設計精度的要求，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)圖如