1、第9章 超聲波傳感器9.1 9.1 超聲波及其性質(zhì)超聲波及其性質(zhì)19.2 9.2 超聲波發(fā)生法與振動(dòng)因子的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)生法與振動(dòng)因子的設(shè)計(jì)9.3 9.3 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)39.4 9.4 超聲波傳感器的基本電路超聲波傳感器的基本電路4259.5 9.5 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用概述概述 超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。 我國(guó)對(duì)超聲波技術(shù)及其傳感器的研究十分活我國(guó)對(duì)超聲波技術(shù)及其傳感器的研究十分活躍，目前超聲波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于冶金、船

2、舶、躍，目前超聲波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個(gè)工業(yè)部門的超聲清洗、超聲焊機(jī)械、醫(yī)療等各個(gè)工業(yè)部門的超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲檢測(cè)和超聲醫(yī)療等方面。接、超聲加工、超聲檢測(cè)和超聲醫(yī)療等方面。 9.1 9.1 超聲波及其性質(zhì)超聲波及其性質(zhì)9.1.1 9.1.1 超聲波的頻率范圍超聲波的頻率范圍 人聽到響聲是由于樂器的振動(dòng)，經(jīng)過周圍的人聽到響聲是由于樂器的振動(dòng)，經(jīng)過周圍的空氣，傳送到人耳，振動(dòng)耳膜，使聽覺神經(jīng)感受空氣，傳送到人耳，振動(dòng)耳膜，使聽覺神經(jīng)感受到響聲。到響聲。 聲音的高低取決于振動(dòng)數(shù)的多少，音的強(qiáng)弱聲音的高低取決于振動(dòng)數(shù)的多少，音的強(qiáng)弱取決于振幅的大小。一般人耳可聽見

3、的聲波數(shù)范取決于振幅的大小。一般人耳可聽見的聲波數(shù)范圍為圍為16Hz20KHz16Hz20KHz，但此頻率范圍的界限與音的強(qiáng)，但此頻率范圍的界限與音的強(qiáng)度或個(gè)人聽覺有關(guān)系，所以一般人耳的感音范圍度或個(gè)人聽覺有關(guān)系，所以一般人耳的感音范圍大致可繪成如果大致可繪成如果9-19-1所示的關(guān)系圖。所示的關(guān)系圖。 超聲波的聲波數(shù)下限當(dāng)然也不易決定，通常將超聲波的聲波數(shù)下限當(dāng)然也不易決定，通常將20KHz20KHz以上的音波稱為超聲波（以上的音波稱為超聲波（Ultrasonic waveUltrasonic wave）。）。但是聽到、聽不到只是人耳的感覺問題，有時(shí)為了但是聽到、聽不到只是人耳的感覺問題，有

4、時(shí)為了配合使用，也將頻率降至配合使用，也將頻率降至10KHz10KHz，但有時(shí)也可能將，但有時(shí)也可能將頻率升到頻率升到1000MHz1000MHz。圖圖9-1 9-1 人耳感音頻率范圍人耳感音頻率范圍9.1.29.1.2超聲波的種類超聲波的種類 超聲波的發(fā)射方式不同，造成了超聲波種類的不同，超聲波的發(fā)射方式不同，造成了超聲波種類的不同，大致上可分為五類，如圖所示，圖（大致上可分為五類，如圖所示，圖（a a）的縱波）的縱波（Longitudinal WaveLongitudinal Wave）又稱壓縮波）又稱壓縮波 （Compression Compression WaveWave），介質(zhì)粒子的

5、振動(dòng)與波的進(jìn)行方向一致，專供強(qiáng)力），介質(zhì)粒子的振動(dòng)與波的進(jìn)行方向一致，專供強(qiáng)力超聲波的運(yùn)用。圖超聲波的運(yùn)用。圖(b)(b)為縱波，比起圖為縱波，比起圖(a)(a)的縱波，波速慢的縱波，波速慢了許多，主要是因?yàn)榇祟惪v波是在直徑較小的棒中傳輸。了許多，主要是因?yàn)榇祟惪v波是在直徑較小的棒中傳輸。 圖圖(c)(c)為橫波（為橫波（Transverse WaveTransverse Wave）又稱剪斷）又稱剪斷波（波（Shear WaveShear Wave，S S波）介質(zhì)粒子的振動(dòng)與垂直波波）介質(zhì)粒子的振動(dòng)與垂直波的進(jìn)行方向一致，常用于超聲波探勘計(jì)等的計(jì)測(cè)。的進(jìn)行方向一致，常用于超聲波探勘計(jì)等的計(jì)測(cè)。

6、 圖圖(d)(d)為表面波（為表面波（Surface WaveSurface Wave）又稱）又稱Rayleigh Rayleigh 。圖（圖（e e）為彎曲波（）為彎曲波（Flexural WaveFlexural Wave，Bending Bending WaveWave），在沿波進(jìn)行方向的中心線上介質(zhì)粒子進(jìn)），在沿波進(jìn)行方向的中心線上介質(zhì)粒子進(jìn)行橫振動(dòng)，接近介質(zhì)表面的粒子進(jìn)行壓縮、伸張行橫振動(dòng)，接近介質(zhì)表面的粒子進(jìn)行壓縮、伸張運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。9.1.39.1.3超聲波的波速與波長(zhǎng)超聲波的波速與波長(zhǎng) 超聲波的波速超聲波的波速C C、波長(zhǎng)、波長(zhǎng)、頻率、頻率f f之間有下列關(guān)之間有下列關(guān)系系： C

7、 = f C = f 表表9-19-1為超聲波在各種介質(zhì)中的波速，圖為超聲波在各種介質(zhì)中的波速，圖9-39-3所示為超聲波在空氣、水、金屬中的波長(zhǎng)與周期所示為超聲波在空氣、水、金屬中的波長(zhǎng)與周期波數(shù)的關(guān)系，圖中以實(shí)線和虛線區(qū)分超聲波的使波數(shù)的關(guān)系，圖中以實(shí)線和虛線區(qū)分超聲波的使用范圍。用范圍。介質(zhì)介質(zhì)縱波速度縱波速度10105 5cm/seccm/sec密度密度g/cm3聲音阻抗聲音阻抗c105鋁鋁6.222.651.70鋼鋼5.817.84.76鎳鎳5.68.94.98鎂鎂4.331.740.926銅銅4.628.934.11黃銅黃銅4.438.53.61鉛鉛2.1311.42.73水銀水銀

8、1.4613.61.93玻璃玻璃4.95.92.55.91.81聚乙烯聚乙烯2.671.10.924電木電木2.591.40.363水水1.431.000.143變壓器油變壓器油1.390.920.128空氣空氣0.3310.00120.000042表表9-1 9-1 超聲波在各種介質(zhì)中的速度超聲波在各種介質(zhì)中的速度圖圖9-3 9-3 空氣、水、金屬中的波長(zhǎng)及頻率空氣、水、金屬中的波長(zhǎng)及頻率 由上所述可知，縱波的音速在常溫空氣中約由上所述可知，縱波的音速在常溫空氣中約3.43.410104 4cm/scm/s，在水中為，在水中為1.41.410105 5cm/scm/s，鋁中為，鋁中為 6.2

9、26.2210105 5cm/seccm/sec，如果發(fā)射一個(gè)超聲波的頻率為，如果發(fā)射一個(gè)超聲波的頻率為40KHz40KHz，則可利用，則可利用C = fC = f求出，超聲波在空氣求出，超聲波在空氣中，水中及鋁中的波長(zhǎng)中，水中及鋁中的波長(zhǎng)為：為：空氣中：空氣中：水中：水中：鋁中：鋁中：443.4 100.86cm4 10541.4 103.5cm4 10546.22 1015.55cm4 109.1.49.1.4超聲波的損失超聲波的損失 理想情況下，超聲波發(fā)射出去后，會(huì)一邊擴(kuò)理想情況下，超聲波發(fā)射出去后，會(huì)一邊擴(kuò)大，一邊直線前進(jìn)，只要介質(zhì)沒有吸收超聲波的大，一邊直線前進(jìn)，只要介質(zhì)沒有吸收超聲

10、波的性質(zhì)，超聲波的強(qiáng)度不論傳到任何地方都不會(huì)減性質(zhì)，超聲波的強(qiáng)度不論傳到任何地方都不會(huì)減弱。弱。 不過實(shí)際上超聲波的強(qiáng)度隨著距離的增加而不過實(shí)際上超聲波的強(qiáng)度隨著距離的增加而逐漸減弱，其原因有二：一是隨著距離的增加波逐漸減弱，其原因有二：一是隨著距離的增加波面會(huì)擴(kuò)大，從而造成擴(kuò)散損失，另外一方面，超面會(huì)擴(kuò)大，從而造成擴(kuò)散損失，另外一方面，超聲波會(huì)被傳播介質(zhì)吸收及散射，從而造成波動(dòng)能聲波會(huì)被傳播介質(zhì)吸收及散射，從而造成波動(dòng)能量的損失。一般稱為吸收損失，也稱衰減。量的損失。一般稱為吸收損失，也稱衰減。 圖圖9-49-4所示即為超聲波在各類介質(zhì)中的衰減情所示即為超聲波在各類介質(zhì)中的衰減情形，讀者在圖

11、中將會(huì)發(fā)現(xiàn)頻率愈低的超聲波衰減形，讀者在圖中將會(huì)發(fā)現(xiàn)頻率愈低的超聲波衰減愈小。愈小。圖圖9-4 9-4 超聲波的衰減超聲波的衰減9.1.5 9.1.5 超聲波的指向性超聲波的指向性 如圖如圖9-59-5所示，使一個(gè)半徑為所示，使一個(gè)半徑為R R的圓板波源呈活塞狀振動(dòng)，發(fā)射的圓板波源呈活塞狀振動(dòng)，發(fā)射出具有出具有波長(zhǎng)的超聲波，則其指向角波長(zhǎng)的超聲波，則其指向角可以表示為可以表示為sinsin= =R R。例如從直徑例如從直徑30mm30mm的振動(dòng)因子，對(duì)油中發(fā)射出的振動(dòng)因子，對(duì)油中發(fā)射出1MHz 1MHz 的超聲波，使得的超聲波，使得R =10R =10，于是其指向角，于是其指向角=4=4。可見

12、，欲使超聲波角度集中，?？梢姡钩暡ń嵌燃?，可減小可減小或增大或增大R R，但一般以減小，但一般以減小居多。居多。 圖圖9-5 9-5 超聲波的指向性超聲波的指向性9.1.6 9.1.6 超聲波的反射、透射與折射超聲波的反射、透射與折射 當(dāng)超聲波經(jīng)過性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面時(shí)，一當(dāng)超聲波經(jīng)過性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面時(shí)，一部分會(huì)反射，其余的會(huì)穿透過去。這種反射或穿部分會(huì)反射，其余的會(huì)穿透過去。這種反射或穿透的強(qiáng)度，由這兩個(gè)交界介質(zhì)的特性阻抗透的強(qiáng)度，由這兩個(gè)交界介質(zhì)的特性阻抗Z Z 決定。決定。 所謂特性阻抗即為介質(zhì)的密度（所謂特性阻抗即為介質(zhì)的密度（）與音速）與音速（C C）的乘積。假設(shè)現(xiàn)在將超

13、聲波垂直地射入固有）的乘積。假設(shè)現(xiàn)在將超聲波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面時(shí)，如圖特性阻抗不同的交界面時(shí)，如圖9-69-6，則音波的反，則音波的反射率射率可用下式表示：可用下式表示： 2121ZZZZ 由上式可知兩種介質(zhì)的特性阻抗差越大，反由上式可知兩種介質(zhì)的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超聲波射入交界面除了部分反射射率也就越大。超聲波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透過去，而超聲波的穿透率外，其余的全部穿透過去，而超聲波的穿透率T T可可以用下式表示：以用下式表示： 22211222121411ZZZ ZTZZZZ 圖圖9-6 9-6 超聲波的反射與透射超聲波的反射與透射 書中表

14、書中表9-29-2所示為各種介質(zhì)的反射率。圖所示為各種介質(zhì)的反射率。圖9-7 9-7 所示為所示為在不同介質(zhì)間設(shè)厚度為在不同介質(zhì)間設(shè)厚度為L(zhǎng) L的其它介質(zhì)，傳播超聲波時(shí)，若的其它介質(zhì)，傳播超聲波時(shí)，若將遮斷超聲波，此時(shí)的透射率將遮斷超聲波，此時(shí)的透射率T T1 1 為：為： 13122221313224cossinZ ZTZ ZZZKLZKLZ圖圖9-7 9-7 不同媒質(zhì)間的反射與透射不同媒質(zhì)間的反射與透射 若鄰接中間介質(zhì)的左右介質(zhì)相同，即若鄰接中間介質(zhì)的左右介質(zhì)相同，即Z Z1 1Z Z2 2 時(shí)，則時(shí)，則T T1 1 可簡(jiǎn)化為：可簡(jiǎn)化為： 式中式中K=2f/CK=2f/C2 2，Z Z1

15、1=1 1C C1 1，Z Z2 2=2 2C C2 2，Z Z3 3=3 3C C3 3，f f為超聲波的頻率。為超聲波的頻率。1222211244 cossinTZZKLKLZZ 由上式可推論得知，越增大穿透率由上式可推論得知，越增大穿透率T1T1，可以，可以使中間層使中間層Z2Z2盡量接近盡量接近Z1Z1，而且用薄板（使，而且用薄板（使L L愈小愈愈小愈好），或厚度為超聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍的板。若好），或厚度為超聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍的板。若按此要領(lǐng)設(shè)計(jì)則穿透率按此要領(lǐng)設(shè)計(jì)則穿透率T1T1變成：變成：12211241TZZZZ 如圖如圖9-89-8，如果超聲波斜著射入固有特性阻抗，如果超聲波斜

16、著射入固有特性阻抗不同的交界面時(shí)，超聲波會(huì)發(fā)生折射，令入射角不同的交界面時(shí)，超聲波會(huì)發(fā)生折射，令入射角為為i i，折射角為，折射角為t t，C C1 1為入射前的波速，為入射前的波速，C C2 2為折為折射后的波速，其關(guān)系可以下式表示：射后的波速，其關(guān)系可以下式表示： 21sinsinitCC圖圖9-8 9-8 超聲波的折射超聲波的折射9.1.79.1.7超聲波的空洞現(xiàn)象超聲波的空洞現(xiàn)象 在液體中發(fā)射強(qiáng)力超聲波時(shí)，若發(fā)射的超聲波為縱波，在液體中發(fā)射強(qiáng)力超聲波時(shí)，若發(fā)射的超聲波為縱波，在液體中又發(fā)生負(fù)壓過大現(xiàn)象時(shí)，負(fù)壓會(huì)將液體拉裂，發(fā)在液體中又發(fā)生負(fù)壓過大現(xiàn)象時(shí)，負(fù)壓會(huì)將液體拉裂，發(fā)生空孔，即空

17、洞現(xiàn)象。圖生空孔，即空洞現(xiàn)象。圖9-99-9所示為空洞的發(fā)生示意圖。所示為空洞的發(fā)生示意圖。此類現(xiàn)象具有氧此類現(xiàn)象具有氧化、攪拌、化、攪拌、破壞等各種作破壞等各種作用，所以有時(shí)用，所以有時(shí)超聲波也常常超聲波也常常用來做氧化、用來做氧化、還原反應(yīng)及洗凈等工作。還原反應(yīng)及洗凈等工作。 圖圖9-9 9-9 空洞的發(fā)生空洞的發(fā)生9.1.8 9.1.8 超聲波的衰減超聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí), , 隨著傳播距離的增加隨著傳播距離的增加, , 能量逐漸衰減。能量逐漸衰減。 其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為：其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為： 、 距聲源距聲源x x處的聲壓和聲強(qiáng)處的聲壓和聲強(qiáng); ;

18、x x 聲波與聲源間的距離聲波與聲源間的距離; ; 衰減系數(shù)衰減系數(shù), , 單位為單位為Np/mNp/m（奈培（奈培/ /米）。米）。 0 xxPPe20 xxII exPxI 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí), , 能量的衰減決定于聲能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、波的擴(kuò)散、 散射和吸收。散射和吸收。 在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散擴(kuò)散, , 即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)

19、的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的熱性、粘滯性及彈性滯后造成的, , 介質(zhì)吸收聲能介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。并轉(zhuǎn)換為熱能。 9.1.99.1.9超聲波的干涉超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是會(huì)產(chǎn)如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是會(huì)產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。由不同波源發(fā)出的頻率相同、生波的干涉現(xiàn)象。由不同波源發(fā)出的頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位相同或相位差恒定的兩個(gè)波振動(dòng)方向相同、相位相同或相位差恒定的兩個(gè)波在空間相遇時(shí)，某些點(diǎn)振動(dòng)始終加強(qiáng)，某些點(diǎn)振在空間相遇時(shí)，某些點(diǎn)振動(dòng)始終加強(qiáng)，某些點(diǎn)振動(dòng)始終減弱或消失，這種現(xiàn)象稱為干涉現(xiàn)象。動(dòng)始終減弱或消失，這種現(xiàn)象

20、稱為干涉現(xiàn)象。 兩個(gè)振幅相同的相干波在同一直線上彼此相兩個(gè)振幅相同的相干波在同一直線上彼此相向傳播時(shí)疊加而成的波稱為駐波。每相距向傳播時(shí)疊加而成的波稱為駐波。每相距/2/2的的這些點(diǎn)上，介質(zhì)保持靜止?fàn)顟B(tài)，這些點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，這些點(diǎn)上，介質(zhì)保持靜止?fàn)顟B(tài)，這些點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)介質(zhì)位移最大的點(diǎn)稱為波腹。節(jié)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)介質(zhì)位移最大的點(diǎn)稱為波腹。 9.3 9.3 超聲波傳感器超聲波傳感器 利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。 超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁

21、致伸縮式、超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，而以壓電式最為常用。電磁式等，而以壓電式最為常用。 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高的壓電效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可用為接收探正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信

22、號(hào)，可用為接收探頭。頭。 超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖9-139-13所示，主要由壓電所示，主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜組成。晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜組成。 圖圖9-13 9-13 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)9.4 9.4 超聲波傳感器的基本電路超聲波傳感器的基本電路9.4.1 9.4.1 超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路 發(fā)射用的超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)方式有自激型發(fā)射用的超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)方式有自激型與他激型之分。與他激型之分。1. 1. 自激型驅(qū)動(dòng)電路自激型驅(qū)動(dòng)電路 自激型振蕩電路就像石英振子那樣，利用超自激型振蕩電路就像石英振子那樣，利

23、用超聲波傳感器自身的諧振特性使其在諧振頻率附近聲波傳感器自身的諧振特性使其在諧振頻率附近產(chǎn)生振蕩。產(chǎn)生振蕩。 圖圖9-149-14是自激型晶體管振蕩電路，其中是自激型晶體管振蕩電路，其中MA40A3SMA40A3S是振蕩頻率為是振蕩頻率為40kHz40kHz的超聲波傳感器。的超聲波傳感器。H：振蕩L：停振（a a）基本型）基本型 （b b）振蕩可控型）振蕩可控型圖圖9-14 9-14 自激型晶體管振蕩電路自激型晶體管振蕩電路 圖圖9-14(a)9-14(a)是科耳皮茲振蕩電路。超聲波傳感是科耳皮茲振蕩電路。超聲波傳感器在電感性的頻率下產(chǎn)生振蕩。該振蕩頻率與串器在電感性的頻率下產(chǎn)生振蕩。該振蕩頻

24、率與串聯(lián)諧振頻率不一致，造成這種現(xiàn)象的原因是由于聯(lián)諧振頻率不一致，造成這種現(xiàn)象的原因是由于反諧振頻率對(duì)它的影響，具體地講就是反諧振頻率對(duì)它的影響，具體地講就是C1C1、C2C2的的調(diào)整會(huì)影響調(diào)整會(huì)影響frfr。 圖圖9-14(b)9-14(b)是一個(gè)具有振蕩控制端的自激型晶是一個(gè)具有振蕩控制端的自激型晶體管振蕩電路。由于它將圖體管振蕩電路。由于它將圖9.9(a)9.9(a)的地接到了晶的地接到了晶體管體管VTVT2 2的集電極上，因此當(dāng)?shù)募姌O上，因此當(dāng)VTVT2 2截止時(shí)振蕩就會(huì)停截止時(shí)振蕩就會(huì)停止。止。圖圖9-15 9-15 使用運(yùn)算放大器的自激放大電路使用運(yùn)算放大器的自激放大電路表表9-

25、5 9-5 元件清單元件清單名稱圖中代號(hào)型號(hào)備注運(yùn)算放大器U1AMC34082FET輸入，兩只裝電阻器R1、R25%，1/4W碳膜電阻器電容C15%，50V聚酯薄膜電容超聲波傳感器MA40A3S諧振頻率40kHz 圖圖9-159-15是自激型運(yùn)算放大器振蕩放大電路，元件清單是自激型運(yùn)算放大器振蕩放大電路，元件清單如表如表9-59-5所示。所示。 該電路的振蕩頻率接近串聯(lián)諧振頻率，因此該電路的振蕩頻率接近串聯(lián)諧振頻率，因此效率會(huì)比自激型晶體管振蕩電路高出許多。效率會(huì)比自激型晶體管振蕩電路高出許多。 該電路中使用的運(yùn)算放大器是兩只封裝在一該電路中使用的運(yùn)算放大器是兩只封裝在一起的摩托羅拉公司的起的

26、摩托羅拉公司的MC34082MC34082型集成電路。事實(shí)上型集成電路。事實(shí)上轉(zhuǎn)換速度只要是在轉(zhuǎn)換速度只要是在10uV/us10uV/us以上的運(yùn)算放大器，都以上的運(yùn)算放大器，都可以使用?？梢允褂?。2. 2. 他激型驅(qū)動(dòng)電路他激型驅(qū)動(dòng)電路 圖圖9-169-16為使用時(shí)基電路為使用時(shí)基電路555555的振蕩電路，元件清單如的振蕩電路，元件清單如表表9-99-9所示。在他激型驅(qū)動(dòng)電路中，具有可以自由選擇振所示。在他激型驅(qū)動(dòng)電路中，具有可以自由選擇振蕩頻率的優(yōu)點(diǎn)，這也帶來了頻率不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)。蕩頻率的優(yōu)點(diǎn)，這也帶來了頻率不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)。振蕩頻率調(diào)整圖圖9-16 9-16 使用時(shí)基電路使用時(shí)基電路55

27、5555的他激型振蕩電路的他激型振蕩電路名稱圖中代號(hào)型號(hào)備注定時(shí)器集成電定時(shí)器集成電路路U1NE555電阻電阻R3、R45%，1/4W碳膜電阻碳膜電阻電阻電阻R1、R22%，1/4W金屬膜電阻金屬膜電阻晶體管晶體管Q12SC181550V、0.1A以上以上電位器電位器VR1單圈旋轉(zhuǎn)單圈旋轉(zhuǎn)型型碳膜電位器碳膜電位器電容電容C1C35%，50V聚酯薄膜電容聚酯薄膜電容超聲波傳感器超聲波傳感器MA40A3S諧振頻率諧振頻率40kHz表表9-9 9-9 元件清單元件清單 555555電路在電路在10kHz10kHz以下時(shí)的振蕩頻率溫度系數(shù)為以下時(shí)的振蕩頻率溫度系數(shù)為50ppm/50ppm/，當(dāng)頻率進(jìn)一

28、步提高時(shí)頻率溫度特性會(huì)變差，在，當(dāng)頻率進(jìn)一步提高時(shí)頻率溫度特性會(huì)變差，在40kHz40kHz時(shí)變?yōu)闀r(shí)變?yōu)?00200 ppm/100200 ppm/。 由此推算，當(dāng)溫度變化由此推算，當(dāng)溫度變化1010時(shí)頻率的變化量約為時(shí)頻率的變化量約為100Hz100Hz。這么大的變化量還不足以影響超聲波傳感器的正。這么大的變化量還不足以影響超聲波傳感器的正常工作。常工作。 這里講的溫度系數(shù)只是其自身的溫度系數(shù)，不包括元這里講的溫度系數(shù)只是其自身的溫度系數(shù)，不包括元器件溫度系數(shù)的影響。不過，只要器件溫度系數(shù)的影響。不過，只要R1R1、R2R2選用溫度系數(shù)小選用溫度系數(shù)小的金屬膜電阻器，的金屬膜電阻器，C1C1

29、選用溫度系數(shù)小的聚丙烯薄膜電容器選用溫度系數(shù)小的聚丙烯薄膜電容器或聚苯乙烯薄膜電容器即可。在寬帶域超聲波傳感器的情或聚苯乙烯薄膜電容器即可。在寬帶域超聲波傳感器的情況下，因?yàn)槠渫l帶較寬，所以也可以使用聚酯薄膜電容況下，因?yàn)槠渫l帶較寬，所以也可以使用聚酯薄膜電容器。器。頻率調(diào)整 圖圖9-17 9-17 為門電路驅(qū)動(dòng)的電路。圖為門電路驅(qū)動(dòng)的電路。圖9-17(a)9-17(a)是是振蕩電路。振蕩電路。4049B4049B內(nèi)共有內(nèi)共有6 6個(gè)電路，其中的個(gè)電路，其中的2 2個(gè)電路個(gè)電路用于構(gòu)成振蕩電路，另外的用于構(gòu)成振蕩電路，另外的4 4個(gè)用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳個(gè)用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器感器。(a)(a)基

30、本電路基本電路圖圖9-17 9-17 由門電路構(gòu)成的振蕩電路由門電路構(gòu)成的振蕩電路 圖圖9-17(b)9-17(b)為振蕩可控型電路。為振蕩可控型電路。4011B4011B構(gòu)成振蕩電路，構(gòu)成振蕩電路，用用NANDNAND電路實(shí)現(xiàn)振蕩控制?？刂齐妷簽殡娐穼?shí)現(xiàn)振蕩控制?？刂齐妷簽镠 H（高電平）時(shí)產(chǎn)（高電平）時(shí)產(chǎn)生振蕩，控制電壓為生振蕩，控制電壓為L(zhǎng) L（低電平）時(shí)停止振蕩。超聲波傳（低電平）時(shí)停止振蕩。超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)是感器的驅(qū)動(dòng)是4049B4049B來完成的。來完成的。圖圖9-17(b) 9-17(b) 帶有振蕩控制的門電路振蕩電路帶有振蕩控制的門電路振蕩電路9.4.2 9.4.2 超聲波傳

31、感器的接收電路超聲波傳感器的接收電路使用運(yùn)算放大器的接收電路與元件清單使用運(yùn)算放大器的接收電路與元件清單 超聲波傳感器接收的信號(hào)，最大時(shí)約為超聲波傳感器接收的信號(hào)，最大時(shí)約為1V1V左右；最小時(shí)約為左右；最小時(shí)約為1mV1mV左右。為了將該電壓放大到后續(xù)電路易于處理的電壓，增益至左右。為了將該電壓放大到后續(xù)電路易于處理的電壓，增益至少也應(yīng)當(dāng)達(dá)到少也應(yīng)當(dāng)達(dá)到100100倍以上。倍以上。 圖圖9-189-18為使用運(yùn)算放大器的放大電路，元件清單如表所示。為使用運(yùn)算放大器的放大電路，元件清單如表所示。圖圖9-18 9-18 使用運(yùn)算放大器的電路（使用運(yùn)算放大器的電路（100100倍增益）倍增益）名稱

32、圖中代號(hào)型號(hào)備注運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器U1AMC34082FET輸入，兩只裝輸入，兩只裝超聲波傳感器超聲波傳感器MA40A3R諧振頻率諧振頻率40kHz電阻電阻R1R25%，1/4W碳膜電阻器碳膜電阻器電容電容C110%，50V陶瓷電容器陶瓷電容器表表9-10 9-10 元件清單元件清單 頻率高達(dá)頻率高達(dá)40kHz40kHz，因此運(yùn)算放大器必須是高速型的。而對(duì)于精，因此運(yùn)算放大器必須是高速型的。而對(duì)于精度和失真度的要求卻比較寬容，所以只需要通用型的度和失真度的要求卻比較寬容，所以只需要通用型的TL080TL080系列和系列和LF356LF356、LF357LF357、MC34080MC34080

33、系列即可。如果增益不足，可以不由系列即可。如果增益不足，可以不由U1AU1A直直接輸出，而是再增加一級(jí)放大器；而且這時(shí)每一級(jí)放大器的增益也接輸出，而是再增加一級(jí)放大器；而且這時(shí)每一級(jí)放大器的增益也可以降低到可以降低到100100以下。以下。圖圖9-19 9-19 使用視頻放大器使用視頻放大器LM733LM733的放大電路的放大電路（增益在（增益在20002000倍以上）倍以上）增益增益100倍倍增益增益200倍倍2. 2. 使用視頻放大器的接收電路使用視頻放大器的接收電路 圖圖9-199-19為使用視頻放大器為使用視頻放大器LM733LM733的接收電路，元件清的接收電路，元件清單如表所示。單

34、如表所示。LM733LM733的增益可以設(shè)定為的增益可以設(shè)定為1010倍、倍、100100倍和倍和400400倍；考慮到增益越大其輸入阻抗越小，在增益為倍；考慮到增益越大其輸入阻抗越小，在增益為100100時(shí)使時(shí)使用它。用它。 因?yàn)槠漭斎牒洼敵龆疾捎貌顒?dòng)放大方式，所以有必要因?yàn)槠漭斎牒洼敵龆疾捎貌顒?dòng)放大方式，所以有必要將差動(dòng)電壓輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出，這樣就需要如圖中那樣將差動(dòng)電壓輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出，這樣就需要如圖中那樣使用輸出變壓器。這里也可以使用使用輸出變壓器。這里也可以使用ST12ST12進(jìn)行電壓放大。進(jìn)行電壓放大。 輸入端的二極管和輸出端的雪崩二極管都是起保護(hù)作輸入端的二極管和輸出端的雪崩

35、二極管都是起保護(hù)作用的。圖中還給出了在不使用變壓器時(shí)，可以使用運(yùn)算放用的。圖中還給出了在不使用變壓器時(shí)，可以使用運(yùn)算放大器替代變壓器的方法。大器替代變壓器的方法。 表表9-119-11元件清單元件清單名稱圖中代號(hào)型號(hào)備注視頻放大器U1LM733超聲波傳感器MA40A3R諧振頻率40kHz二極管D1、D21S1588D3、D405Z5.15.1V的雪崩二極管輸出變壓器T1ST12電阻R1R35%，1/4W碳膜電阻器電容C110%，50V獨(dú)石電容器圖圖9-20 9-20 使用比較器集成電路的放大電路使用比較器集成電路的放大電路名稱圖中代號(hào)型號(hào)備注比較器U1LM393超聲波傳感器MA40A3R諧振頻

36、率40kHz電阻R1R35%，1/4W碳膜電阻器3. 3. 使用比較器的接收電路使用比較器的接收電路 圖圖9-209-20為使用比較器集成電路為使用比較器集成電路LM933LM933的接收電路，元的接收電路，元件清單如表所示。件清單如表所示。 比較器和運(yùn)算放大器一樣不進(jìn)行相位補(bǔ)償，比較器和運(yùn)算放大器一樣不進(jìn)行相位補(bǔ)償，因此也可以像運(yùn)算放大器那樣高速運(yùn)行。因此也可以像運(yùn)算放大器那樣高速運(yùn)行。 但是，如果將它作為放大器使用，就容易產(chǎn)但是，如果將它作為放大器使用，就容易產(chǎn)生自激振蕩，因此這里還僅僅把它作為比較器使生自激振蕩，因此這里還僅僅把它作為比較器使用，為此，其輸出就只取用，為此，其輸出就只取+

37、5V+5V或者或者-5V-5V兩個(gè)值。由兩個(gè)值。由于其本身屬于數(shù)字輸出，因此使用起來反倒很容于其本身屬于數(shù)字輸出，因此使用起來反倒很容易。另外為了避免噪聲，可以通過正反饋的方式易。另外為了避免噪聲，可以通過正反饋的方式給它一個(gè)很小的、約給它一個(gè)很小的、約1mV1mV的滯后電壓。的滯后電壓。圖圖9-21 9-21 空間擾動(dòng)偵測(cè)器空間擾動(dòng)偵測(cè)器(a)(a)超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路9.5 9.5 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用9.5.1 9.5.1 空間擾動(dòng)偵測(cè)器空間擾動(dòng)偵測(cè)器 如圖如圖9-219-21所示，為利用超聲波原理制成的空間擾動(dòng)偵所示，為利用超聲波原理制成的空間擾動(dòng)偵測(cè)器，測(cè)器，

38、(a)(a)圖是超聲波發(fā)射電路。圖是超聲波發(fā)射電路。 該電路利用該電路利用4 4個(gè)與非門組成一個(gè)個(gè)與非門組成一個(gè)40KHz40KHz的振蕩器，電路的振蕩器，電路中所使用的發(fā)射器，是對(duì)中所使用的發(fā)射器，是對(duì)40KHz40KHz諧振的超聲波發(fā)射器，當(dāng)諧振的超聲波發(fā)射器，當(dāng)電路中電路中S S1 1斷開時(shí)，斷開時(shí)，Pin 1Pin 1為低電位使為低電位使U U5-a5-a輸出為輸出為1 1，于是充，于是充電電流經(jīng)電電流經(jīng)R R1919，R R18 18 向向C C6 6 充電，經(jīng)過一段充電時(shí)間，使得充電，經(jīng)過一段充電時(shí)間，使得Pin 2Pin 2為高電位，由于為高電位，由于Pin 1Pin 1保持在低

39、電位，所以保持在低電位，所以U U5-a 5-a 輸出輸出仍保持高電位，所以電路不振蕩。仍保持高電位，所以電路不振蕩。 當(dāng)當(dāng)S1S1閉合時(shí)，閉合時(shí)，Pin 1Pin 1為高電位，又為高電位，又Pin2 Pin2 也為高電位，也為高電位，致使致使U U5-a5-a輸出低電位，于是輸出低電位，于是C C6 6 開始放電，經(jīng)過一段放電時(shí)開始放電，經(jīng)過一段放電時(shí)間之后，間之后，Pin2 Pin2 電位降為低電位，電位降為低電位，U U5-a5-a 輸出恢復(fù)高電位，輸出恢復(fù)高電位，C C6 6又重新充電，這個(gè)振蕩電路的輸出有兩個(gè)端子，這兩個(gè)又重新充電，這個(gè)振蕩電路的輸出有兩個(gè)端子，這兩個(gè)輸出端子的輸出信

40、號(hào)互為反相，可以增加超聲波的輸出振輸出端子的輸出信號(hào)互為反相，可以增加超聲波的輸出振幅。幅。（b b）超聲波接收電路）超聲波接收電路圖圖9-21 9-21 空間擾動(dòng)偵測(cè)器空間擾動(dòng)偵測(cè)器 (b)(b)圖為超聲波接收電路及警報(bào)電路，圖中圖為超聲波接收電路及警報(bào)電路，圖中VTVT2 2及及VTVT3 3組成串級(jí)放大電路，負(fù)責(zé)將組成串級(jí)放大電路，負(fù)責(zé)將40KHz40KHz接收器所接收到的接收器所接收到的40KHz 40KHz 信號(hào)放大，放大后的信號(hào)放大，放大后的40KHz40KHz信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)，經(jīng)過U U6 6組成的緩沖器，組成的緩沖器，送至送至R R2525、C C8 8整流、濾波而取出一個(gè)直流電

41、壓。整流、濾波而取出一個(gè)直流電壓。 此電路在使用時(shí)可以分別將發(fā)射器及接收器安裝在欲此電路在使用時(shí)可以分別將發(fā)射器及接收器安裝在欲偵測(cè)空間對(duì)角，且使接收器能夠收到發(fā)射器所發(fā)射出來的偵測(cè)空間對(duì)角，且使接收器能夠收到發(fā)射器所發(fā)射出來的超聲波信號(hào)，此時(shí)，若空間中沒有異物侵入，則接收器能超聲波信號(hào)，此時(shí)，若空間中沒有異物侵入，則接收器能持續(xù)收到超聲波信號(hào)。因此經(jīng)放大，整流出來的電壓準(zhǔn)位持續(xù)收到超聲波信號(hào)。因此經(jīng)放大，整流出來的電壓準(zhǔn)位為高電位，致使比較器的輸出為低電位，警報(bào)器不響。為高電位，致使比較器的輸出為低電位，警報(bào)器不響。 當(dāng)空間中有異物侵入時(shí)，將使接收器所接收到的超聲當(dāng)空間中有異物侵入時(shí)，將使接

42、收器所接收到的超聲波信號(hào)減弱或中斷，此時(shí)，經(jīng)放大，整流出來的電壓準(zhǔn)位波信號(hào)減弱或中斷，此時(shí)，經(jīng)放大，整流出來的電壓準(zhǔn)位將下降或變?yōu)榈碗娢?、致使比較器的輸出為高電位。將下降或變?yōu)榈碗娢?、致使比較器的輸出為高電位。 9.5.29.5.2物體檢測(cè)計(jì)物體檢測(cè)計(jì) 使用光學(xué)傳感器檢測(cè)物體時(shí)，無法檢測(cè)到透使用光學(xué)傳感器檢測(cè)物體時(shí)，無法檢測(cè)到透明的物體；用紅外傳感器的情況下，被測(cè)對(duì)象必明的物體；用紅外傳感器的情況下，被測(cè)對(duì)象必須是和環(huán)境溫度不同的物體。然而使用超聲波傳須是和環(huán)境溫度不同的物體。然而使用超聲波傳感器，對(duì)被測(cè)對(duì)象沒有上述的要求限制。使用超感器，對(duì)被測(cè)對(duì)象沒有上述的要求限制。使用超聲波傳感器時(shí)有兩種

43、檢測(cè)方式：聲波傳感器時(shí)有兩種檢測(cè)方式：直接檢測(cè)方式直接檢測(cè)方式 反射檢測(cè)方式反射檢測(cè)方式 直接檢測(cè)方式是將發(fā)射器與接收器相配置，直接檢測(cè)方式是將發(fā)射器與接收器相配置，當(dāng)能夠直接接收到對(duì)面發(fā)射來的超聲波時(shí)，或者當(dāng)能夠直接接收到對(duì)面發(fā)射來的超聲波時(shí)，或者說接收器有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就表示沒有物體在說接收器有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就表示沒有物體在阻擋超聲波的傳輸。阻擋超聲波的傳輸。 反過來，當(dāng)沒有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就有物體反過來，當(dāng)沒有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就有物體阻擋住了超聲波的傳輸。阻擋住了超聲波的傳輸。 反射檢測(cè)方式是將發(fā)射器與接收器配置在比反射檢測(cè)方式是將發(fā)射器與接收器配置在比較接近的地方，當(dāng)能夠接收到反射

44、回來的超聲波較接近的地方，當(dāng)能夠接收到反射回來的超聲波時(shí)，或者說接收器有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就表示有時(shí)，或者說接收器有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就表示有物體在反射超聲波。物體在反射超聲波。 反射檢測(cè)方式又分為發(fā)射器與接收器是由反射檢測(cè)方式又分為發(fā)射器與接收器是由2 2個(gè)個(gè)獨(dú)立的超聲波傳感器來完成的分體式、獨(dú)立的超聲波傳感器來完成的分體式、1 1個(gè)超聲波個(gè)超聲波傳感器兼作發(fā)射器與接收器的一體式兩種形式。傳感器兼作發(fā)射器與接收器的一體式兩種形式。 一體式具有只使用一體式具有只使用1 1個(gè)超聲波傳感器即可的優(yōu)個(gè)超聲波傳感器即可的優(yōu)點(diǎn)；但是也有需要發(fā)射點(diǎn)；但是也有需要發(fā)射/ /接收切換電路、存在過于接收切換電路、存

45、在過于靠近的距離成為無法檢測(cè)的盲區(qū)的缺點(diǎn)?？拷木嚯x成為無法檢測(cè)的盲區(qū)的缺點(diǎn)。 1. 1. 直接檢測(cè)式物體檢測(cè)電路直接檢測(cè)式物體檢測(cè)電路用他激型振蕩電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器用他激型振蕩電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器 下圖下圖9-229-22為使用直接檢測(cè)方式檢測(cè)物體的電路，元件為使用直接檢測(cè)方式檢測(cè)物體的電路，元件清單如表所示。清單如表所示。 其中的發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路是使用時(shí)基電其中的發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路是使用時(shí)基電路路555555的他激型振蕩驅(qū)動(dòng)電路。的他激型振蕩驅(qū)動(dòng)電路。 可以將頻率預(yù)設(shè)成可以將頻率預(yù)設(shè)成40kHz40kHz，然后再用頻率調(diào)整電位器，然后再用頻率調(diào)整電位器VRVR1 1

46、將接收用超聲波傳感器的輸出電壓調(diào)整到最大。將接收用超聲波傳感器的輸出電壓調(diào)整到最大。圖圖9-22 9-22 直接檢測(cè)方式的物體檢測(cè)電路直接檢測(cè)方式的物體檢測(cè)電路名稱名稱圖中代號(hào)圖中代號(hào)型號(hào)型號(hào)備注備注比較器比較器U2AU2ALM393LM393超聲波傳感器超聲波傳感器MA40A3S/RMA40A3S/RMA40A3SMA40A3S發(fā)射，發(fā)射，MA40A3RMA40A3R接收接收時(shí)基電路時(shí)基電路U1U1NE555NE555專用集成電路專用集成電路U3U3LM2907NLM2907N專用集成電路專用集成電路二極管二極管D1D105Z5.105Z5.1D2D21S15881S1588發(fā)光二極管發(fā)光二

47、極管LED1LED1TLR143TLR143紅色紅色電容電容C1 C5C1 C510%10%，50V50V聚酯薄膜電容聚酯薄膜電容20%20%，50V50V電解電容電解電容電阻電阻5%5%，1/4W1/4W碳膜電阻碳膜電阻電位器電位器VR1VR1、VR2VR2單圈旋轉(zhuǎn)型單圈旋轉(zhuǎn)型碳膜電位器碳膜電位器表表9-13 9-13 元件清單元件清單 用用LM393LM393制作接收電路制作接收電路 對(duì)于接收用的超聲波傳感器對(duì)于接收用的超聲波傳感器MA40A3RMA40A3R的輸出壓，的輸出壓，使用使用LM393LM393進(jìn)行放大。進(jìn)行放大。LM393LM393的輸出為矩形。的輸出為矩形。 用用LM2907NLM2907N進(jìn)行信號(hào)處理進(jìn)行信號(hào)處理 LM393 LM393的輸出端連接在了轉(zhuǎn)速計(jì)用的集成電路的輸出端連接在了轉(zhuǎn)速計(jì)用的集成電路LM2907NLM2907N上。由于在上。由于在LM2907NLM2907N的內(nèi)部有的內(nèi)部有F-UF-U（頻率（頻率- -電壓）轉(zhuǎn)換電路和比較器電路，所以就變成了頻電壓）轉(zhuǎn)換電路和比較器電