傳感器應用技術 課件 項目5 超聲波傳感器應用電路設計與調試

Sensorsapplicationtechnology超聲波基本概念Ultrasonicbasicconcepts1.1超聲波的定義1.2超聲波的物理量1.3超聲場的物理量1.4超聲波的波型課程內容

CourseContents聲波的實質機械振動在媒質中的傳播。1.1

超聲波的定義次聲 可聽聲超聲超聲波是頻率大于兩萬赫茲的聲波。1.1

超聲波的定義1.2

超聲波的物理量? 頻率? 波長? 聲速頻率

f/周期T聲源在一秒鐘內振動的次數(shù)叫頻率，記作f，單位為Hz。

振動一次所經歷的時間叫周期，記作T，單位為s。

頻率和周期互為倒數(shù)，即T=1/f。1.2

超聲波的物理量波長λ沿聲波傳播方向，振動一個周期所傳播的距離稱作波長，記為λ，單位為m。? 頻率? 波長? 聲速1.2

超聲波的物理量? 頻率? 波長? 聲速聲速c一秒時間內聲波傳播的距離叫聲波速度，簡稱聲速，

記作c，單位為m/s頻率、波長和聲速三者的關系是：

c＝fλ超聲波在空氣中傳播速度近似為340m/s充滿超聲波的空間叫做超聲場。? 聲壓? 聲強? 聲阻抗1.3

超聲場的物理量1.3

超聲場的物理量聲壓

p當介質中有超聲波傳播時，由于介

質質點振動，使介質中壓強交替變化。超聲

場中某一點在某一瞬間所具有的壓強與沒有

超聲場存在時的靜態(tài)壓強之差被稱為聲壓，

常用p表示，單位為帕(

Pa

)

。某一點聲壓幅值P=

ρcu其中

ρ

----介質的密度;c----介質中的聲速;u----質點的振動速度p

p1

p0

(Pa)聲強

I?

在垂直于超聲波方向上的單位面積內通

過的聲能量被稱為聲強度，也稱聲強。

聲強的單位是W/m2

，瓦/平方米。? I=（p^2）/(ρc)（此時p為有效值）1.3

超聲場的物理量聲阻抗

Z? 超聲場中任一點的聲壓p與該處質點振動

速度u之比稱為聲阻抗，常用Z表示。Z

=

p

/

u

=

ρcu

/

u

=

ρc? 由上式可知，聲阻抗的大小等于介質的

密度ρ與波速c的乘積1.3

超聲場的物理量①

縱波：固體、液體和氣體②

橫波：固體③

表面波：固體振幅隨深度增加而迅速衰減1.4

超聲波的波型①

縱波：介質中質點的振動方向與傳播方向同軸的波固體、液體和氣體中傳播1.4

超聲波的波型1.4

超聲波的波型②

橫波：介質中質點的振動方向垂直于波的傳播方向的波固體中傳播1.4

超聲波的波型③

表面波：質點的振動介于橫波和縱波之間，沿著介質表

面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波固體中傳播電子信息工程技術專業(yè)教學資源庫THANK

YOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應用技術》課程Sensorsapplicationtechnology超聲波基本特性Ultrasonicbasiccharacteristics1.1超聲波的反射折射特性1.2超聲波的衰減特性1.3超聲波的生物效應課程內容

CourseContents1.1超聲波的反射折射特性當超聲波相對于界面入射點法線以一定的角度傾斜入射到兩種不同介質的界面上時，在界面會產生反射、折射sin

c2sin

c1c1，

c2為介質1和介質2中波速sin

' c1sin

c1入射波

′界面介質11.1超聲波的反射折射特性（1）反射定律介質2

反射波折射波（2）折射定律

＝

'1.1超聲波的反射折射特性入射波

′界面介質1介質2

反射波折射波? 若Z2≈Z1聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質透射入第二介質? 若Z2

>>

Z

1

或Z

1

>>

Z

2

,則聲波幾乎全反射，透射極少Z1，Z2為介質1和介質2中聲阻抗超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，超聲波的能量逐漸減弱的現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為

1.2

超聲波的衰減特性

ax

2

axPx

P0e ，

Ix

I0e式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。衰減的主要原因：①擴散衰減②散射衰減③吸收衰減1.2

超聲波的衰減特性隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。衰減的主要原因：①擴散衰減②散射衰減③吸收衰減1.2

超聲波的衰減特性衰減的主要原因：①擴散衰減②散射衰減③吸收衰減1.2

超聲波的衰減特性①機械效應在超聲波的作用下，生物組織將受到壓力的作用，并產生速度和加速度方面的變化?？绍浕M織、增強滲透、提高代謝、促進血液循環(huán)、刺激神經系統(tǒng)及細胞功能1.3

超聲波的生物效應②

溫熱效應超聲在生物組織中傳播過程中，部分聲能被生物組織吸收，轉換為熱能。1.3

超聲波的生物效應超聲透熱療法促進骨折愈合③

理化效應機械效應和溫熱效應會促發(fā)生物組織內的物理化學變化。1.氫離子濃度的改變炎癥組織中伴有酸中毒現(xiàn)象時，超聲波可使pH值向堿性方面變化，從而使癥狀減輕，有利于炎癥的修復。2.對酶活性的影響超聲波能使復雜的蛋白質解聚為普通的有機分子，能影響到許多酶的活性。1.3

超聲波的生物效應④

空化效應超聲波在液體介質中傳播時產生聲壓。當產生的負聲壓超過液體的內聚力時，液體中出現(xiàn)細小的空腔。1.3

超聲波的生物效應空腔分為兩種，即穩(wěn)定空腔和暫時空腔。穩(wěn)定空腔周圍產生局部的單向的液體流動，可以改變細胞膜的通透性。暫時的空腔在聲壓變化時破滅，產生高熱、高壓、發(fā)光、放電等現(xiàn)象，對機體有破壞作用。電子信息工程技術專業(yè)教學資源庫THANK

YOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應用技術》課程Sensorsapplicationtechnology超聲波傳感器原理與特性Ultrasonicsensorprinciplesand

characteristics1.1超聲波傳感器的定義1.2超聲波傳感器的原理1.3超聲波傳感器的結構1.4超聲波傳感器的特性1.5超聲波傳感器的性能指標課程內容

CourseContents1.1超聲波傳感器的定義? 超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。? 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置稱為超聲波傳感器，也稱為超聲波探頭。1.2

超聲波傳感器的原理利用壓電材料的壓電效應制成壓電式超聲波傳感器。正向壓電效應

壓電效應。逆向金屬殼吸收塊保護膜接線片壓電晶片導電螺桿超聲波探頭結構如圖所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導電的極板。阻尼塊的作用：降低晶片的機械品

質，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊,當激

勵的電脈沖信號停止時,晶片將會繼續(xù)振

蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。1.3

超聲波傳感器的結構屏蔽柵外殼

錐形振子雙壓電陶瓷晶片基座?

發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較

強的方向性，因而能高效率地發(fā)

送超聲波；接收超聲波時，超聲

波的振動集中于振子的中心，所

以能產生高效率的高頻電壓。1.3

超聲波傳感器的結構空氣中用超聲波傳感器的結構(1) 頻率特性發(fā)送超聲波接收超聲波1.4

超聲波傳感器的特性傳感器的帶寬較窄、具有單峰特性，即在中心頻率處靈敏

度最高，輸出信號幅度最大，也幾乎在這個頻點，接收器

的接收靈敏度最高，

而在中心頻率兩側則迅速衰減。(2) 指向性特性1.4

超聲波傳感器的特性方向角(-6dB)：從超聲波傳感器軸線到聲壓降6dB處的角度(3)

阻抗特性并聯(lián)諧振阻抗串聯(lián)諧振頻率超聲波傳感器具有高阻特性，驅動電流小，要求驅

動電壓較高，是電壓驅動型傳感器。1.4

超聲波傳感器的特性（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。1.5

超聲波傳感器的性能指標超聲波傳感器-性能參數(shù)1.5

超聲波傳感器的性能指標電子信息工程技術專業(yè)教學資源庫THANK

YOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應用技術》課程Sensorsapplicationtechnology超聲波發(fā)射電路結構與原理ThestructureandprincipleofUltrasonictransmitting

circuit1.1 超聲波發(fā)射電路結構1.2 振蕩電路原理1.3 驅動電路原理課程內容

CourseContents振蕩電路：產生超聲波傳感器工作需要的40KHz頻率信號。驅動電路：增大驅動電流，有效驅動超聲波振子發(fā)送超聲

波。超聲波發(fā)射頭：發(fā)出40KHz超聲波超聲波發(fā)射頭振蕩電路驅動電路1.1

超聲波發(fā)射電路結構振蕩電路部分驅動電路部分Control1.1

超聲波發(fā)射電路結構振蕩電路部分IC1輸出信號的周期為T1TH=0.7（R1+R2）C1=71msTL=0.7*R2*C1=1msT1=0.7（R1+2R2）C1=72ms9V1.2

振蕩電路原理振蕩電路部分IC2輸出信號的周期為T2T2=0.7（R3+2VR1）C3調節(jié)VR1使IC2輸出信號頻率為40KHz9V1.2

振蕩電路原理1.3

驅動電路原理兩個反相器并聯(lián)，輸出電流加倍反相電壓雙端驅動，增大驅動電壓U5CCD4049U5BULT1VH40KH_SENDCD4049輸入信號CABCB超聲頭上的信號輸入信號VH-VH超聲頭上的信號1.3

驅動電路原理電子信息工程技術專業(yè)教學資源庫THANK

YOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應用技術》課程Sensorsapplicationtechnology超聲波接收電路結構與原理ThestructureandprincipleofUltrasonicreceiving

circuit1.1 超聲波接收電路結構1.2 放大電路原理1.3 波形變換電路原理課程內容

CourseContents超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號放大電

路及波形變換電路三部分。由于經接收頭變換后的交流電信號非常弱，因此必

須經放大電路放大。交流信號需要變換為直流信號以判

斷是否有回波及回波的大小。超聲波接收頭波形變換放大電路1.1

超聲波接收電路結構放大電路1檢波電路放大電路2接收部分比較輸出1.1

超聲波接收電路結構放大電路部分波形變換部分第1級放大100倍（40dB），第2級放大10倍（20dB），經兩級放大1000倍（60dB）。單電源（9V）供電，分壓之后，在IC4的同相端有4.5V的中點電壓，保證放大的交流信號不至于產生信號失真。1.2

放大電路原理第一級放大器的幅頻特性第一級放大器的相頻特性1.2

放大電路原理第一級放大器的頻率特性第二級放大器的幅頻特性第二級放大器的相頻特性1.2

放大電路原理第二級放大器的頻率特性作用：檢出經放大后的脈沖信號的直流電壓以判斷有無回波信號。檢波電路1.3

波形變換電路原理ChannelAChannelB檢波電路的輸入輸出波形1.3

波形變換電路原理R12R13Control1M47K9V比較輸出電路1.3

波形變換電路原理電子信息工程技術專業(yè)教學資源庫THANK

YOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應用技術》課程Sensorsapplicationtechnology超聲波傳感器的應用分析Ultrasonicsensor

applications1.1超聲波傳感器測液位原理1.2超聲波傳感器測流量原理1.3超聲波傳感器測量系統(tǒng)分析課程內容

CourseContents1.1

超聲波傳感器測液位原理2

hcct2h

t

超聲波發(fā)射到液面，

又從液面反射到換能器的時間為t式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質中傳播的速度。

測液位原理Hh如果在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L,

如圖所示。如設順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，流體靜止時的超聲波傳播速度為c，流體流動速度為v，則

L

c

vtc

vt

L21測流量原理1.2

超聲波傳感器測流量原理c2

v22 1

t

t

t

2Lv一般來說，流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳