超声波传感器的特性专业知识讲座.pptx

第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波传感器原理与应用超声波传感器原理与应用超声波传感器的特性专业知识讲座第1页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波传感器特征超声波传感器特征超声波特征超声波特征压电式超声波传感器基本工作原理压电式超声波传感器基本工作原理超声波传感器特征超声波传感器特征超声波传感器测距基本原理超声波传感器测距基本原理实训实训1：超声波传感器特征测试：超声波传感器特征测试超声波传感器的特性专业知识讲座第2页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波特征超声波特征什么是超声波？什么是超声波？人耳可听到声音频率为人耳可听到声音频率为20 Hz20 kHz之间。人之间。人耳听不到声波：当频率高于耳听不到声波：当频率高于20 kHz称为超声波；称为超声波；频率频率低于低于20Hz称为次声波。称为次声波。超声波特征：超声波特征：超声波为直线传输方式，频率越高，就越靠近光超声波为直线传输方式，频率越高，就越靠近光学反射、折射等特征。所以可利用上述性质制成超声学反射、折射等特征。所以可利用上述性质制成超声波传感器。波传感器。超声波在空气中传输速度较慢，为超声波在空气中传输速度较慢，为340m/s，所以，所以超声波传感器使用变得非常简单。超声波传感器使用变得非常简单。超声波传感器的特性专业知识讲座第3页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波波动模式超声波波动模式当声源在介质中施力方向与波在介质中传输方向不一样时，声波波型也不一样。通常有：纵波纵波：质点振动方向与波传输方向一致波质点振动方向与波传输方向一致波，它能，它能在固体、液体和气体介质中传输；在固体、液体和气体介质中传输；横波：质点振动方向垂直于传输方向波，它只能在固体介质中传输；表面波：质点振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传输，其振幅随深度增加而快速衰减波，表面波只在固体表面传输。超声波传感器的特性专业知识讲座第4页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 压电式超声波传感器基本工作原理压电式超声波传感器基本工作原理 超声波传感器按原理划分有压电式、超声波传感器按原理划分有压电式、磁致伸缩式、磁致伸缩式、电磁式电磁式等等，等等，其中压电式最惯用，我们以压电式为代表重点介绍。其中压电式最惯用，我们以压电式为代表重点介绍。人们利用压电材料压电效应制成压电式超声波传感器（由人们利用压电材料压电效应制成压电式超声波传感器（由发送器和接收器组成）。发送器和接收器组成）。压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。超声波传感器是可逆元件。超声波传感器是可逆元件。超声波发送器是利用逆向压电效应制成超声波发送器是利用逆向压电效应制成即在压电元件即在压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引发空气振动产生超声上施加电压，元件就变形（也称应变）引发空气振动产生超声波，超声波一疏密波形式传输，传送给超声波接收器。波，超声波一疏密波形式传输，传送给超声波接收器。而超声波接收器是利用正向压电效应制成而超声波接收器是利用正向压电效应制成即接收到超即接收到超声波促使接收器振子伴随对应频率进行振动，因为存在正向压声波促使接收器振子伴随对应频率进行振动，因为存在正向压电效应，就产生与超声波频率相同高频电压。电效应，就产生与超声波频率相同高频电压。当然这种电压非常小，必须采取放大器进行放大。当然这种电压非常小，必须采取放大器进行放大。超声波传感器的特性专业知识讲座第5页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 基座基座双压电陶瓷晶片双压电陶瓷晶片锥形振子锥形振子屏蔽栅外壳屏蔽栅外壳空气中用超声波传感器结构空气中用超声波传感器结构 如右图所表示，采取双压电陶如右图所表示，采取双压电陶瓷晶片结构。将双压电陶瓷晶片固瓷晶片结构。将双压电陶瓷晶片固定安装在基座上，为了增强其效果，定安装在基座上，为了增强其效果，在压电晶片上面加装了锥形振子，在压电晶片上面加装了锥形振子，最终将其装在金属壳体中并伸出两最终将其装在金属壳体中并伸出两根引线。根引线。发送超声波时，圆锥形振子有发送超声波时，圆锥形振子有较强方向性，因而能高效率地发送较强方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波振超声波；接收超声波时，超声波振动集中于振子中心，所以能产生高动集中于振子中心，所以能产生高效率高频电压。效率高频电压。超声波传感器的特性专业知识讲座第6页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波传感器选型超声波传感器选型 普通市售超声波传感器有专用型和兼用型两种：专普通市售超声波传感器有专用型和兼用型两种：专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。送超声波，又可接收超声波。超声波传感器谐振频率（即压电元件中心频率）为超声波传感器谐振频率（即压电元件中心频率）为23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz 等。因为等。因为超声波在空气中传输时衰减很大，衰减程度与频率成正超声波在空气中传输时衰减很大，衰减程度与频率成正比，不过谐振频率越高则分辨率也会越高，则检测距离比，不过谐振频率越高则分辨率也会越高，则检测距离变短，所以短距离测量时普通选频率高传感器（变短，所以短距离测量时普通选频率高传感器（100KHZ以上），长距离测距只能选频率低传感器。以上），长距离测距只能选频率低传感器。超声波传感器的特性专业知识讲座第7页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波传感器特征超声波传感器特征 现以专用在空气中传输成对配套使用超声发射器与接现以专用在空气中传输成对配套使用超声发射器与接收器为例来介绍：收器为例来介绍：通常发送传感器工作于输出最大串联谐振频率，而接通常发送传感器工作于输出最大串联谐振频率，而接收传感器工作于接收灵敏度最高并联谐振频率；经过试验收传感器工作于接收灵敏度最高并联谐振频率；经过试验我们发觉，发送传感器串联谐振频率与接收传感器并联谐我们发觉，发送传感器串联谐振频率与接收传感器并联谐振频率几乎一致。振频率几乎一致。所以超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附所以超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附近使用。超声波接收头必须采取与发射头对应型号，关键近使用。超声波接收头必须采取与发射头对应型号，关键是谐振频率要一致，不然将因无法产生共振而影响接收效是谐振频率要一致，不然将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。果，甚至无法接收。另外，超声波传感器含有高阻特征，驱动电流小，要另外，超声波传感器含有高阻特征，驱动电流小，要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。超声波传感器的特性专业知识讲座第8页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波传感器特征超声波传感器特征 本系统所使用发射器和接收器是以中心频率（或谐振频率）本系统所使用发射器和接收器是以中心频率（或谐振频率）和直径为参数来划分：其型号为和直径为参数来划分：其型号为TCT40-16T和和TCT40-16R，其，其中中40表示传感器工作中心频率（或谐振频率）为表示传感器工作中心频率（或谐振频率）为40kHz，16表表示传感器外形直径为示传感器外形直径为16mm，在发射头和接收头上，我们会看到，在发射头和接收头上，我们会看到T和和R字样，就是分别对应发射器和接收器。字样，就是分别对应发射器和接收器。TCT40-16T发射头普通来讲工作电压能够到发射头普通来讲工作电压能够到100V左右；左右；所发射超声波采取固定中心频率（或谐振频率）为所发射超声波采取固定中心频率（或谐振频率）为40kHz波形波形驱动，驱动，且占空比要求为且占空比要求为50%；两个引脚没有正负（因为是交流；两个引脚没有正负（因为是交流驱动发射），真要分个正负话就把有接外壳那个脚接到应用电驱动发射），真要分个正负话就把有接外壳那个脚接到应用电路地（这么输出信号是对地）。路地（这么输出信号是对地）。这种传感器带宽较窄、含有单峰特征，即在中心频率处灵这种传感器带宽较窄、含有单峰特征，即在中心频率处灵敏度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器接敏度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器接收灵敏度最高，收灵敏度最高，而在中心频率两侧则快速衰减。而在中心频率两侧则快速衰减。超声波传感器的特性专业知识讲座第9页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 超声波传感器惯用检测方式超声波传感器惯用检测方式1.穿透式超声波传感器检测方式穿透式超声波传感器检测方式 2.当物体在发射器与接收器之间经过时，检测超声当物体在发射器与接收器之间经过时，检测超声波束衰减或遮挡情况，从而判断有没有物体经过。这种检波束衰减或遮挡情况，从而判断有没有物体经过。这种检测方式除普通物体外，还能够检测透明体。测方式除普通物体外，还能够检测透明体。2.反射式超声波传感器检测方式反射式超声波传感器检测方式 3.当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测设定当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测设定距离内物体放射波方式，从而判断在设定距离内有没有物距离内物体放射波方式，从而判断在设定距离内有没有物体经过。体经过。4.当被检测物体检测面是平面时，可检测透明体。当被检测物体检测面是平面时，可检测透明体。5.当被检测物体相对传感器检测面为倾斜时，则有当被检测物体相对传感器检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。时不能检测到被测物体。超声波传感器的特性专业知识讲座第10页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 实训实训1：超声波传感器特征测试：超声波传感器特征测试实训目标：实训目标：1.掌握超声波测距传感器学会基本测试使用方法。掌握超声波测距传感器学会基本测试使用方法。2.了解超声波传感器幅频特征，确定其此超声波传感器了解超声波传感器幅频特征，确定其此超声波传感器中心频率（或谐振频率）中心频率（或谐振频率）实训条件：实训条件：TCT40-16T/R超声波传感器一套、信号发生器一台、超声波传感器一套、信号发生器一台、示波器一台，直尺一把示波器一台，直尺一把 超声波传感器的特性专业知识讲座第11页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 实训实训1：超声波传感器特征测试：超声波传感器特征测试实训方法：实训方法：一、设置试验环境：一、设置试验环境：步骤步骤1：调整信号发生器输出方波信号，其峰峰值可在：调整信号发生器输出方波信号，其峰峰值可在2V10V范围调整，频率可在范围调整，频率可在30K49K范围内连续可调范围内连续可调整，要求经过示波器确认信号幅度及频率输出情况。整，要求经过示波器确认信号幅度及频率输出情况。步骤步骤2：将方波信号输出端子接到超声波传感器发射头两个：将方波信号输出端子接到超声波传感器发射头两个输入引脚，将示波器接地端子和信号端子分别连接超声输入引脚，将示波器接地端子和信号端子分别连接超声波传感器接收头两个输出引脚。波传感器接收头两个输出引脚。步骤步骤3：固定发射头与接收头间距为：固定发射头与接收头间距为10cm，并将发射头对准，并将发射头对准接收头，准备测试接收头接收到同频信号电压。接收头，准备测试接收头接收到同频信号电压。超声波传感器的特性专业知识讲座第12页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 实训实训1 1：超声波传感器特征测试：超声波传感器特征测试信号发生器示波器发射头接收头TR探头超声波传感器的特性专业知识讲座第13页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 实训实训1：超声波传感器特征测试：超声波传感器特征测试二、测试超声波传感器幅频特征：二、测试超声波传感器幅频特征：步骤步骤1：调整信号发生器输出方波信号峰峰值为：调整信号发生器输出方波信号峰峰值为10V，本测，本测试要确保输出幅度恒定情况下进行。试要确保输出幅度恒定情况下进行。步骤步骤2：调整方波信号频率，使其在：调整方波信号频率，使其在30K49K范围内改变，范围内改变，用示波器观察超声波接收头输出信号波形，记下值。请用示波器观察超声波接收头输出信号波形，记下值。请按照以下表格设置频率数据要求进行测试，总计测试按照以下表格设置频率数据要求进行测试，总计测试30对数据。对数据。注意：要求测试每对数据时，要求先用示波器准确调试信注意：要求测试每对数据时，要求先用示波器准确调试信号发生器输出方波信号后，再驱动发射头，测试接收头号发生器输出方波信号后，再驱动发射头，测试接收头产生同频信号电压。产生同频信号电压。实训作业实训作业1：分析：分析30对统计数据，绘制输出对统计数据，绘制输出f 关系曲线，得关系曲线，得出超声波传感器幅频特征结论。并确定其中心频率。出超声波传感器幅频特征结论。并确定其中心频率。超声波传感器的特性专业知识讲座第14页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 实训实训1：超声波传感器特征测试：超声波传感器特征测试f(kHz)30K31K32K33K34K35K35.5K36K36.5K37K (V)f(kHz)37.5K38K38.5K39K39.5K40K40.5K41K41.5K42K (V)f(kHz)42.5K43K43.5K44K44.5K45K46K47K48K49K (V)表表1 1：测试超声波传感器幅频特征：测试超声波传感器幅频特征超声波传感器的特性专业知识讲座第15页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 实训实训1：超声波传感器特征测试：超声波传感器特征测试三、在中心频率下测试超声波传感器传输特征：三、在中心频率下测试超声波传感器传输特征：步骤步骤1：调整信号发生器输出方波频率为中心频率，本测试要求：调整信号发生器输出方波频率为中心频率，本测试要求确保在中心频率下进行测定。确保在中心频率下进行测定。步骤步骤2：调整方波信号幅度，使其峰峰值在：调整方波信号幅度，使其峰峰值在2V12V范围内改变，范围内改变，设置输入不一样峰峰值方波信号来驱动发射头，用示波器观设置输入不一样峰峰值方波信号来驱动发射头，用示波器观察超声波接收头输出信号波形，记下值，研究驱动信号幅度察超声波接收头输出信号波形，记下值，研究驱动信号幅度改变对超声波传感器传输特征影响。改变对超声波传感器传输特征影响。要求在要求在2V12V范围内按照以下表格设置值测试输出信号范围内按照以下表格设置值测试输出信号值，总计测试值，总计测试20对数据。对数据。注意：要求测试每对数据时，必须先用示波器调试输出准确幅度、注意：要求测试每对数据时，必须先用示波器调试输出准确幅度、频率方波信号后，再驱动发射头，进而测试接收头接收到同频率方波信号后，再驱动发射头，进而测试接收头接收到同频信号电压。频信号电压。实训作业实训作业2：分析：分析20对统计数据，绘制输出关系曲线，得出超对统计数据，绘制输出关系曲线，得出超声波传感器传输特征结论。声波传感器传输特征结论。超声波传感器的特性专业知识讲座第16页第第1 1讲讲 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 实训实训1：超声波传感器特征测试：超声波传感器特征测试表表2：中心频率下测试超声波传感器传输特征数据统计：中心频率下测试超声波传感器传输特征数据统计 (V)2V2.5V3V3.5V4V4.5V5V5.5V6V6.5V (V)(V)7V7.5V8V8.5V9V9.5V10V10.5V 11V12V (V)超声波传感器的特性专业知识讲座第17页