超声波传感器及应用
日期:2006-9-6 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)。