【正文】 簡(jiǎn)述超聲波傳感器距原理。 ？它們分別適用于什么場(chǎng)合？ 4. 己知電壓前置放大器輸人電阻及總電容分別為 R=1MΩ，C=100pF，求與壓電加速度計(jì)相配測(cè) 1Hz振動(dòng)時(shí)幅值誤差是多少？ 習(xí)題與思考題 5. 用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量加速度， 已知：加速度計(jì)靈敏度為 5pc/g，電荷放大器靈敏度為 50mV/pc，當(dāng)機(jī)器加速度達(dá)到最大值時(shí)，相應(yīng)輸出電壓 幅值為 2V，試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。 傳感與檢測(cè)技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感與檢測(cè)技術(shù) ? 超聲波檢測(cè)液位 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感與檢測(cè)技術(shù) ? 超聲波檢測(cè)厚度 ? 超聲波探傷傳感器 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感與檢測(cè)技術(shù) ? 超聲波傳感器探傷 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感與檢測(cè)技術(shù) ? 超聲波傳感器探傷 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感與檢測(cè)技術(shù) 超聲波流速測(cè)量 ? 超聲波流速檢測(cè) ? 超聲波在 靜止流體 和 流動(dòng)流體 中的傳播速度是不同的 , ? 分別在流體 上游 和 下游 放兩個(gè)傳感器 , ? 同時(shí)發(fā)送、接收， 順流 和 逆流 超聲波傳播時(shí)間分別為 : 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 1 2 2 1 222L L Lt t t t tc c c?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?順 流 ： ， 逆 流 ： ， 時(shí) 間 差 ：? 流體流速 υ 遠(yuǎn)小于超聲波在流體中傳播速度 c υ ； ? 可 求出近似流速 ： 管道內(nèi) 傳感器 2 傳感器 1 電路 υ B2 L B1 22c tL? ?? 傳感與檢測(cè)技術(shù) 超聲波流速測(cè)量 ? 超聲波流速檢測(cè) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感器 1 管道外 θ D υ 傳感器 1 ? 這種方法必須準(zhǔn)確求出介質(zhì)中 超聲波速度 c ,否則會(huì)引入誤差。 ? 時(shí)鐘周期 T=1/40kHz=25μm ? 340m/s (n 25μs) = 往返距離 ? 單程距離 = 往返距離 /2 ? 超聲波傳感器測(cè)距原理 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感與檢測(cè)技術(shù) ? 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=1/20Hz=50ms 超聲波在空氣中傳播速度 340m/s 50ms= 17m 17m/2=850cm ? 測(cè)距通過(guò) 定時(shí) 控制電路、 觸發(fā) 電路變換為與距離有關(guān)的信號(hào) 。 超聲波傳感器 基本電路 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感與檢測(cè)技術(shù) ? 超聲波測(cè)距集成模塊 ：最大距離 600cm，最小距離 2cm 功放 40KHz OSC 定時(shí)器 前置放大 檢波 平方放大 輸出 VCC 12V 三位 LED 顯示器 被 測(cè) 物 發(fā)送電路： 555構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生 40KHz等幅波放大送功放輸出； 接收電路： 放大、檢波， 信號(hào)處理 根據(jù)被測(cè)物體的距離設(shè)定反射脈沖時(shí)間， 調(diào)整振蕩器觸發(fā)時(shí)間。 傳感與檢測(cè)技術(shù) ? 超聲波傳感器類(lèi)型結(jié)構(gòu) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 開(kāi) 放 型 密封 型 高頻 傳感與檢測(cè)技術(shù) ? 超聲波傳感器類(lèi)型結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器的工作原理 ? 發(fā)送 器：在雙壓電振子上施加一定頻率（ 40KHz）的電壓，通過(guò)逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，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。 ? 產(chǎn)品通常標(biāo)有中心諧振頻率： 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz。 傳感與檢測(cè)技術(shù) ? 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)隨距離的增加能量逐漸衰減 , 其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)，衰減規(guī)律 用兩個(gè)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） 分別為 x = 0 處的聲壓、聲強(qiáng)； 0P 0I? 聲波隨距離增加，聲能減弱較快， 所以超聲波 不能進(jìn)行較遠(yuǎn)距離傳播 ； ? 頻率越高衰減越快。（電磁波的傳播速度為 3 108m/s）， ? 這一特點(diǎn)使得超聲波應(yīng)用變得非常簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)可獲得較高的精確度，可以通過(guò)測(cè)量波的 傳播時(shí)間 ，測(cè)量 距離 、厚度 等。 主要功能 是 產(chǎn)生、接收 超聲波信號(hào)。 便攜式超聲波探魚(yú)器 超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用 ? 胎兒的 ? B超影像 超聲波清洗器 ? 超聲換能器 氣泡 波浪 清洗物 超聲波物理基礎(chǔ) ? 頻率高于 20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱(chēng)為超聲波。 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感與檢測(cè)技術(shù) 蝙蝠能發(fā)出和聽(tīng)見(jiàn)超聲波。 傳感與檢測(cè)技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 壓電傳感器的應(yīng)用 晶體管聲、光控開(kāi)關(guān)電路 超聲波傳感器 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 ? 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)， 超聲波傳感器 是向空氣中 發(fā)射超聲波 ，再通過(guò)探測(cè)來(lái)自某個(gè)物體的 反射波 檢測(cè) 物體有無(wú) 或 距離 ； ? 超聲波傳感器 具有多種用途： 如防盜報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)門(mén)啟閉裝置、汽車(chē)倒車(chē)傳感器及各種電子設(shè)備的遙控裝置； 利用超聲波的各種物理特性，可以實(shí)現(xiàn)超聲波 測(cè)距 、 測(cè)厚 、 測(cè)流量 、 無(wú)損探傷 、 超聲成像； ? 隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的超聲波應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，而且不斷得到擴(kuò)展。 ? 啟動(dòng)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，可觀察并記錄到的振動(dòng)信號(hào)波形和頻譜。 ? 而彈丸一旦發(fā)射起爆裝置解除保險(xiǎn)狀態(tài)，開(kāi)關(guān) S從 b處斷開(kāi)與 a 接通，處于待發(fā)狀態(tài)。 壓電 元件 R E S a b 炸藥 壓電元件 導(dǎo)線 起爆裝置 破甲彈上的 壓電引信結(jié)構(gòu) 藥型罩 ? 壓電引信 ? 壓電引信是利用壓電元件制成的 彈丸起爆 裝置。 ? 在外來(lái)聲壓作用下，膜面的曲率發(fā)生變化，使膜內(nèi)應(yīng)力改變，產(chǎn)生相應(yīng)的壓電信號(hào)。而 PVF2材料能很好的克服這一缺陷，可以作成輕小柔軟的壓電元件。 壓電陶瓷片 —— 聲控元件 傳感與檢測(cè)技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 壓電傳感器的應(yīng)用 壓電式壓力傳感器 ? 具有加速度補(bǔ)償?shù)膲弘娛綁毫鞲衅?，壓電晶體被夾在兩塊膜片之間，壓電晶體在振動(dòng)時(shí)受到來(lái)自?xún)蓚€(gè)膜片上同方向的力，使壓電晶片無(wú)電荷輸出。 ? 使用電荷放大器時(shí) ， 電纜長(zhǎng)度變化影響可忽略 ， 并且允許使用長(zhǎng)電纜工作 。 可利用電容作反饋元件的 深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放 。 ? 觀察 Rg兩端電壓，信號(hào)經(jīng) C1耦合到 Rg的A端，由于場(chǎng)效應(yīng)管跟隨作用，使 S（源）G（柵）間電壓大小近似相等、相位相同。 一般認(rèn)為當(dāng) ωτ ≥ 3時(shí)輸入電壓與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)； ? 缺點(diǎn)： 低頻響應(yīng)差 ， 提高低頻響應(yīng)的辦法是增大 τ， 但不能靠增加輸入電容 Ca （ RLCa= τ） ， 因?yàn)殡妷红`敏度與電容成反比 。 傳感與檢測(cè)技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 壓電傳感器等效電路 ? 壓電元件 內(nèi)阻 很高，需要系統(tǒng)前置電路具有高的輸入阻抗。CCUU???? 壓電晶片按 + + 粘貼時(shí)電路 并聯(lián) + _ + _ U’ + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + 電荷增加一倍，適用于電荷放大器 傳感與檢測(cè)技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 壓電元件結(jié)構(gòu)形式 39。 ? 這些材料有： (ZnS) (CdTe) (ZnO) (CdS) (GaAs) 傳感與檢測(cè)技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 新型壓電材料 聚偏氟乙烯壓電效應(yīng) ? 而這些新型 合成 材料的分子鏈中 C— F鍵具有極性，有一定的偶極矩； ? 通常晶胞內(nèi)的極矩相互抵消整體不顯極性，沒(méi)有壓電效應(yīng)； ? 必須經(jīng)過(guò)拉伸、極化過(guò)程，特殊處理才會(huì)具有良好的壓電效應(yīng)。 傳感與檢測(cè)技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器