超声波传感器的原理及应用

应用, 原理, 超声波传感器

人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，其结构如图1所示，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型），其外型如图2。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。T/R40系列及MA40EI的特性如表1及表2所示。超声波应用有三种基本类型，如图3所示，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。

1、遥控开关超声波遥控开关可控制家用电器及照明灯。采用小型超声波传感器（Φ12-Φ16),工作频率在40KHZ,遥控距离约10米.遥控器的发送电路如图4所示,这是由555时基电路组成的振荡器,调整10KΩ电位器，使振荡频率为40KHZ，传感器接在③脚，接下按钮时，发送出超声波，接收电路如图5所示。电源由220V经电容降压、整流、滤波、稳压后获得12V工作电压。由于是非隔离电源，要整个电路用塑料外壳封装，以防触电（在调试时也应注意）。信号由超声波接收器接收，经Q1、Q2放大（L、C谐振槽路调谐在40KHZ）。放大后的信号去触发由Q3、Q4组成的双稳态电路，Q5及LED作为触发隔离，并可发光显示。由于双稳态在开机时有随机性，故加一清零按钮。Q5输出的触发信号使双向可控硅导通，负载接通。要负载断路，则要按一次发送钮。
2、液位指示及控制器由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低则信号就小。液位发送电路部分与图4相同，接收部分见图6所示。接收到的信号经BG1、BG2放大，经D1、D2整流成直流电压。当4.7KΩ上的电压超过BG3的导通电压时，有电流流过BG3，电流表有指示，电流大小与液面有关。图7为液位控制器电路。A点与上图A点相连接。当液位低于设置值时，比较器输出为低电平。BG不导通，若液位升到规定位置，比较器翻转，输出高电平。BG导通，J吸合，可通过电磁阀将输液开关关闭，以达到控制的目的（高位控制）。