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超聲波傳感器原理、結構及應用

2019-08-14 13:20:35  |  人氣:1459
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江蘇建恒儀表有限公司

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超聲波傳感器是使用換能器發送和接收超聲波脈沖,該超聲波脈沖中繼有關物體接近度的信息從而使的超聲波測量到物體的距離的儀器。

 

超聲波傳感器原理、結構及應用

 

一、超聲波傳感器原理

       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、生物醫學等方面以超聲波作為檢測手段,必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習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,既可以發射超聲波,也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構,可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個探頭反射、一個探頭接收)等。

 

超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構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,因此每個探頭的性能是不同的,我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標,包括;

 

1、工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時,輸出的能量最大,靈敏度也zu高。

 

2、工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高,特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小,所以工作溫度比較低,可以長時間地工作而不產生失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高,需要單獨的制冷設備。

 

3、靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大,靈敏度高;反之,靈敏度低。

 

超聲波傳感器原理、結構及應用

 

二、超聲波傳感器結構

 

超聲波傳感器主要由如下四個部分構成:

 

發送器:通過振子(一般為陶瓷制品,直徑約為15 mm)振動產生超聲波并向空中幅射。

 

接收器:振子接收到超聲波時,根據超聲波發生相應的機械振動,并將其轉換為電能量,作為接收器的輸出。

 

控制部分:通過用集成電路控制發送器的超聲波發送,并判斷接收器是否接收到信號(超聲波),以及已接收信號的大小。

 

電源部分:超聲波傳感器通常采用電壓為DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流電源供電,經內部穩壓電路供給傳感器工作。

 

超聲波傳感器原理、結構及應用

 

三、超聲波傳感器應用

超聲波距離傳感器可以廣泛應用在物位(液位)監測,機器人防撞,各種超聲波接近開關,以及防盜報警等相關領域,工作可靠,安裝方便, 防水型,發射夾角較小,靈敏度高,方便與工業顯示儀表連接,也提供發射夾角較大的探頭。

       

1、超聲波測距儀:

       

建恒儀表超高能聲波測距技術JH-UHZ系列產品使超聲波測距技術有了重大的突破,它不僅拓寬了超聲波測距技術的應用場合(適用極惡劣工的工作環境),而且使用智能調節技術,大大提高了超聲波產品的可靠性及性能指標,讓用戶使用無后顧之憂 。 。

 

優秀的回波處理技術,5-50KHZ的超高強發波頻率使建恒物位計最大量程可達到120米,適用介質溫度為–20℃— +175℃。智能的全自動調節發波頻率,自動的溫差補償功能使其工作更加穩定可靠。JH-UHZ系列產品還擁有靈活多變的工作方式(供電電源可為12VDC、24VDC、110VAC、220VAC;二/三/四線制同一儀表中可隨意組合。它還擁有先進的遠程GSM、CDMA、互聯網調試功能,使得用戶隨時可以得到技術支持。

       

建恒產品以它尖端的技術穩定可靠的工作質量,在化工、電力、冶金、煤礦、碼頭、水處理、輕工及食品衛生等行業得到廣泛的應用。

       

2、超聲波探魚器:

 

超聲波測量技術其原理很簡單,說得高檔點的名稱叫“多普拉效應”,山村孩童便叫“回音”,就如在一山谷叫一聲“你好嗎”,不一會聽見好像有人學你的說話一樣“你...好...嗎...”。人們正由此點,開發出超聲波測量技術。像自然界中,以蝙蝠都可算為代表了,在蝙蝠洞里既要覓食,又要用聲波測距,而要在洞內用超聲波測距是一件很困難的事情,很先進的科技產品也做不到。在空中,當聲音鼓動空氣而向前傳遞訊息時,遇到大小不同、軟硬不一的物體時,其會產生相應強弱的反射聲音,而我們以高峰接收此fan彈回來的聲音,計算其fan彈的時間差距,從而可了解前面物體與你的距離,由其fan彈的強弱,得知物體的大小,此為超聲波在空中測量的應用原理,一如在機場使用的雷達。

 

在水中的情況便有分別,因為水的密度與空氣的密度明顯不同,同樣強度的聲音,水中傳遞和空中傳遞,完全是兩碼子的事,故此我們在水中使用超聲波探測,先決條件是功率要強大,才能有fan彈回來的訊號。1950年代,美國hai軍的潛艇搜尋技術已充分發展,要搜尋潛艇已不容易,更何況比潛艇小得多的魚,要從中取得突破,必先從超聲波的特性中,找出其奧妙。原來除了功率強大外,其頻率高低亦具決定性,而接收訊號后的分析技術,更不容缺少。要在眾多訊號中分辨出合適的數據是相當困難的。正因如此,在往后美國民間的不斷開發,才漸漸開始有捕魚船安裝了專為搜魚的超聲波探魚器。而直至目前為止,海洋中使用的超聲波探測技術,無論是理論或產品,都以美國為主,后起之日本及德國,亦是近年來才能加入。

       

在醫學檢測上的應用:B超

       

用于檢測液位的超聲波傳感器:

       

聲波漫反射式接近傳感器用于檢測液位;

       

聲波反射式設計用于檢測遠處的目標;

       

聲波接近傳感器可有模擬量輸出,可適用于精確的連續控制.;

       

模擬量輸出信號和被測物距離的線性斜率可調,滿足各種控制要求;

       

聲波接近傳感器可有兩個開關點設置,并可通過按鈕方便的設置;

       

方形和原柱形設計滿足不同的現場安裝要求。

       

3、超聲波傳感器在質檢方面的應用——超聲波探傷儀

       

超聲波探傷儀主要應用于金屬工件內部的質量檢測,如檢測金屬是否有氣泡,焊接部位是否有未焊透等缺陷等。

隨著科學技術的快速發展,超聲波將在傳感器中的應用越來越廣。在人類文明的歷次產業革命中,傳感技術一直扮演著先行官的重要角色,它是貫穿各個技術和應用領域的關鍵技術,在人們可以想象的所有領域中,它幾乎無所不在。傳感器是世界各國發展最快的產業之一,在各國有關研究、生產、應用部門的共同努力下,傳感器技術得到了飛速的發展和進步。但就目前技術水平來說,人們可以具體利用的傳感技術還十分有限,因此,這是一個正在蓬勃發展而又有無限前景的技術及產業領域

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