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超聲波傳感器工作原理及其相關應用

        超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現象,并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波,其頻率較低,一般為幾十KHZ,而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快,而在液體及固體中傳播,衰減較小,傳播較遠。利用超聲波的特性,可做成各種超聲波傳感器,配上不同的電路,制成各種超聲測量儀器及裝置,并在通迅,醫療家電等各方面得到廣泛應用。

       超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器,它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉變成電能,所以它可以分成發送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發送,也能作接收。

工作程式

       若對發送傳感器內諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓,則壓電陶瓷片就根據所加高頻電壓極性伸長與縮短,于是發送40KHz頻率的超聲波,其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調制),并傳給波接收器。接收器 是利用壓力傳感器所采用的壓電效應的原理,即在壓電元件上施加壓力,使壓電元件發生應變,則產生一面為“+ ”極,另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小,故必須進行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車,其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物,并及時發出警告。所設計的檢測系統可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告,其警告表示是探測到了在盲區內障礙物的距離和方向。這樣,在狹窄的地方不管是泊車還是開車,借助倒車障礙報警檢測系統,駕駛員心理壓力就會減少,并可以游刃有余地采取必要的動作。

系統構成

       由發送傳感器 ( 或稱波發送器 ) 、接收傳感器 ( 或稱波接收器 、控制部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振 子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量并向空中輻射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產生機械振動, 將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對發送的超進行檢測 . 而實際使用中,用發送傳感器的陶瓷振子的也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子??刂撇糠种饕獙Πl送器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。超聲波傳感器電源 ( 或稱信號源 ) 可 用 DC12V
± 10 % 24V ± 10 % 。

工作模式

       超聲波傳感器利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體,金屬或非金屬物體,固體、液體、粉狀物質均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環境條件的影響,包括煙塵環境和雨天。

檢測模式

       超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發射的聲波部分地發射回傳感器的接收器,從而使傳感器檢測到被測物。

還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對射式超聲波傳感器包括一個發射器和一個接收器,兩者之間持續保持“收聽”。位于接收器和發射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發射的聲波,從而傳感器將產生開關信號。

檢測范圍和聲波發射角

       超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長,頻率越小,檢測距離越大,如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300~500mm 波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達8m。一些傳感器具有較窄的6o聲波發射角,因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發射角在12o15o的 傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外,我們還有外置探頭型的超聲波傳感器,相應的電子線路位于常規傳感器外殼內。這種結構更適合檢測安裝空間有限的場合。

超聲波傳感器的應用

在現實生活中,我們不難發現超聲波傳感器的應用身影。隨著科技水平的高速發展,超聲波傳感器的使用范圍也愈來愈廣泛。超聲波傳感器應用如此廣泛,你真正知道它的原理和應用范圍嗎?

       超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波,由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的,它具有頻率高、波長短、繞射現象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大,尤其是在陽光不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波,碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。

具體應用

一、超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規則物體。但不適用于室外、酷熱環境或壓力罐以及泡沫物體。

二、超聲波傳感器可以對集裝箱狀態進行探測。將超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部,向集裝箱內部發出聲波時,就可以據此分析集裝箱的狀態,如滿、空或半滿等。

三、超聲波傳感器可以應用于食品加工廠,實現塑料包裝檢測的閉環控制系統。配合新的技術可在潮濕環如洗瓶機、噪音環境、溫度極劇烈變化環境等進行探測。[1]

四、超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料,控制張力以及測量距離,主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗煤的設備運、塑料加工以及汽車行業等。超聲波傳感器可用于流程監控以提高產品質量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。

       超聲波傳感器在各國無不受到各界人士的喜愛。對于高科技這個詞,我們并不陌生,電腦,手機等的使用,已使我國進入了科技時代。超聲波探魚器可以讓人們探索到地下何處有水源,水中何處魚群較多;B超中的超聲波探測器可以讓媽媽們看到腹中的孩子;除此之外,超聲波傳感器還可以用于醫療等機構,可以化療癌癥等疾病。





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