超聲波傳感器及應(yīng)用

人們能聽到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)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(xiàn)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(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)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?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型），其外型如圖2。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。T/R40系列及MA40EI的特性如表1及表2所示。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，如圖3所示，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。

1、遙控開關(guān) 超聲波遙控開關(guān)可控制家用電器及照明燈。采用小型超聲波傳感器（Φ12-Φ16),工作頻率在40KHZ,遙控距離約10米.遙控器的發(fā)送電路如圖4所示,這是由555時(shí)基電路組成的振蕩器,調(diào)整10KΩ電位器，使振蕩頻率為40KHZ，傳感器接在③腳，接下按鈕時(shí)，發(fā)送出超聲波，接收電路如圖5所示。電源由220V經(jīng)電容降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后獲得12V工作電壓。由于是非隔離電源，要整個(gè)電路用塑料外殼封裝，以防觸電（在調(diào)試時(shí)也應(yīng)注意）。信號(hào)由超聲波接收器接收，經(jīng)Q1、Q2放大（L、C諧振槽路調(diào)諧在40KHZ）。放大后的信號(hào)去觸發(fā)由Q3、Q4組成的雙穩(wěn)態(tài)電路，Q5及LED作為觸發(fā)隔離，并可發(fā)光顯示。由于雙穩(wěn)態(tài)在開機(jī)時(shí)有隨機(jī)性，故加一清零按鈕。Q5輸出的觸發(fā)信號(hào)使雙向可控硅導(dǎo)通，負(fù)載接通。要負(fù)載斷路，則要按一次發(fā)送鈕。

2、液位指示及控制器 由于超聲波在空氣中有一定的衰減，則發(fā)送到液面及從液面反射回來(lái)的信號(hào)大小與液位有關(guān)，液面位置越高，信號(hào)越大；液面越低則信號(hào)就小。液位發(fā)送電路部分與圖4相同，接收部分見圖6所示。接收到的信號(hào)經(jīng)BG1、BG2放大，經(jīng)D1、D2整流成直流電壓。當(dāng)4.7KΩ上的電壓超過BG3的導(dǎo)通電壓時(shí)，有電流流過BG3，電流表有指示，電流大小與液面有關(guān)。圖7為液位控制器電路。A點(diǎn)與上圖A點(diǎn)相連接。當(dāng)液位低于設(shè)置值時(shí)，比較器輸出為低電平。BG不導(dǎo)通，若液位升到規(guī)定位置，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平。BG導(dǎo)通，J吸合，可通過電磁閥將輸液開關(guān)關(guān)閉，以達(dá)到控制的目的（高位控制）。