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    超聲波傳感器的結構及工作原理

    日期:2018-08-01 11:05:00來源:點擊:1410
           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AG亚游国际、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)AG亚游国际、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AG亚游国际。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,靈敏度也最高AG亚游国际。
    (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AG亚游国际,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AG亚游国际,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。
    結構與工作原理
    當電壓作用于壓電陶瓷時,就會隨電壓和頻率的變化產生機械變形。另一方面,當振動壓電陶瓷時,則會產生一個電荷。利用這一原理,當給由兩片壓電陶瓷或 一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器,所謂叫雙壓電晶片元件,施加一個電信號時,就會因彎曲振動發射出超聲波。相反,當向雙壓電晶片元件施加超聲振動 時,就會產生一個電信號AG亚游国际?;谝陨献饔?,便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器AG亚游国际。
    超聲波傳感器,一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是諧振器以及AG亚游国际,由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一 個結合體。諧振器呈喇叭形,目的是能有效地輻射由于振動而產生的超聲波,并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。
    室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性,以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內側。底座固定在盒體的開口端,并且使用樹脂進行覆蓋。對應用于工業機器人的超聲波傳感器而言,要求其精確度要達到1mm,并且具有較強的超聲波輻射。
    利用常規雙壓電晶片元件振動器的彎曲振動,在頻率高于70kHz的情況下,是不可能達到此目的的。所以,在高頻率探測中,必須使用垂直厚度振動模式的 壓電陶瓷AG亚游国际。在這種情況下,壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。壓電陶瓷的聲阻抗為2.6×107kg/m2s,而空氣的聲阻抗為 4.3×102kg/m2s。5個冪的差異會導致在壓電陶瓷振動輻射表面上的大量損失AG亚游国际。一種特殊材料粘附在壓電陶瓷上AG亚游国际,作為聲匹配層,可實現與空氣的聲阻 抗相匹配。這種結構可以使超聲波傳感器在高達數百kHz頻率的情況下,仍然能夠正常工作。
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