日本歐姆龍OMRON超聲波傳感器的工作原理

    人類耳朵能聽(tīng)到的聲波頻率為20HZ～20KHz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。因此，我們把頻率高于20KHz赫茲的聲波稱為“超聲波"。因其方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。如超聲波清洗機(jī)，超聲波加濕器，醫(yī)學(xué)檢查B超，彩超，超聲波探傷儀等。

    聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生的，能夠產(chǎn)生超聲波的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。

      常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波傳感器探頭內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 超聲波傳感器就是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去；而在接收時(shí)，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

超聲波測(cè)距原理：

   常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，如下圖，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2

     超聲波發(fā)射電路：由555定時(shí)器產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號(hào)，加到超聲波探頭的引腳上，使內(nèi)部的壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射超聲波。

    超聲波接收電路： 由于超聲波接收探頭產(chǎn)生的電信號(hào)非常弱，需要進(jìn)行放大處理，下圖，由晶體管和運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成放大電路，對(duì)接收信號(hào)放大后，驅(qū)動(dòng)繼電器。

      一般采用集成的信號(hào)放大器芯片，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。CX20106是SONY公司的集成前置放大器，由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益,在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)載。

     超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。V = 331．4 + 0．607T ，式中，T為實(shí)際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s

    實(shí)際測(cè)量時(shí)由于傳感器和被測(cè)物體的角度不同，被測(cè)物體表面也可能是不是平整的，產(chǎn)生幾種特殊情況，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤，如下圖，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)探頭角度多次測(cè)量來(lái)解決。

超聲波傳感器工作分為兩個(gè)步驟：

超聲波傳感器換能器頭——重要的部分

發(fā)射模式：

1, 在電子振蕩器的作用下傳感器產(chǎn)生一批聲波/脈沖，然后這些聲波被發(fā)送到周圍空氣 。

2, 聲波從傳感器傳送到目標(biāo)物。

3, 傳感器轉(zhuǎn)換成接受模式。

接收模式：

4,部分被物體反射的回聲返回到傳感器中去 。

5,傳感器的微處理器計(jì)算發(fā)射接收所用的時(shí)間t。（如果聲速在介質(zhì)中傳播速度為v，傳感器距離目標(biāo)物的距離則為：S=v*t/2)

6,微處理器驅(qū)動(dòng)一個(gè)顯示距離或開(kāi)關(guān)量的輸出信號(hào).

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