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超声波测距换能器的原理和运用

来源:上官明禹点击量:1806时间:2019-01-07返回

一、 超声波换能器的原理和分类 
      1、 超声换能器的定义:把别种能源的信号或者能量转换成要求的超声信号或者能量的器件我们叫他超声波换能器。超声换能器有很多种类。电声型换能器包括压电换能器,磁致伸缩换能器,电动式换能器和电磁式换能器,电容式换能器等。流体动力型超声换能器包括气流激励的振枪哨、漩涡哨、旋笛、圆板哨及液体喷注激励的簧片哨等。 
      2、 超声波测距换能器:超声波测距换能器是在空气中能够检测距离的超声波换能器。那么必须满足以下几个条件: 
      第一:换能器在空气中发射和接收声波的效率高。
      第二:有一定的方向性。
      第三,冲击响应时间小,也就是换能器的Q 值低,盲区小。超声波测距换能器也有人叫它超声波传感器,超声波探头。它大致有几种: 
     (1) 压电陶瓷片或者朗之万式换能器+匹配层的结构 
     (2) 弯曲震动式的(倒车雷达式结构的,蜂鸣片结构的) 
     (3) 纵弯震动结构,是用纵向振动换能器+弯曲振动圆盘(效率高,工艺复杂) 
     (4) 静电换能器。 
 
二、 超声波换能器的方向性 
      超声波测距的换能器,简单的都可以看成一个圆形活塞阵。
      圆形活塞换能器的主瓣-3dB 的开角简易计算公式为: 
       Θ-3dB = 60°*(λ/D) 
       准确半功率角的计算公式为: 
       Θ-3dB = 2*arcsin(0.26*λ/a) 
       锐度角:主波束两侧出现第一个极小值之间的夹角。 
       Θ = 2*arcsin(0.61*λ/a) 
       a = 辐射面半径 
       C 为声速 C = 331.4+0.6*T 
       T 为环境温度 
       f 为频率; 
       λ为波长 λ = C/f 
       D 为辐射面直径 
 
三、 超声波换能器的发射响应和接收响应 
      1、发送响应 
      发送电压响应:声场中无干涉效应的状态下,指定一点处的声波的声压与加在换能器两端的电压的比值为发送电压响应。 
      发送电流响应:声场中无干涉效应的状态下,指定一点处的声波的声压与流过换能器的电流的比值为发送电流响应。 
      发送功率响应:声场中无干涉效应的状态下,指定一点处的声波的声压与加在换能器上功率的比值为发送功率响应。 
      2、接收电压灵敏度 
      接收换能器的输出端的开路电压,与声场中引入换能器前存在于换能器声中心位置处的自由场声压的比值。 
      3、相对脉冲-回波灵敏度 
      用电压恒定,频率可变的信号激励换能器,在标准测试距离 z 上标准平面的回波界面上发射超声波脉冲。有该换能器输出的第一次回波电压与频率 f 之间的响应特性,称为脉冲-回波频率响应特性。其中 fp 为最大脉冲-回波响应频率;脉冲-回波响应为最大值的一半(-6dB)的两个频率 f1 和 f2 的算术平均值(f1+f2)/2 ,称为脉冲-回波中心频率 fc。 在中心频率处 fc,第一次回波电压幅度 Ue 与测量时换能器的激励电压 UT 的比值的分贝数 S,称为相对脉冲-回波灵敏度。  S = 20*lg(Ue/UT) 在实际工作中,相对脉冲-回波灵敏度是比较容易搭建的测试平台。只需要一个频率可调的发射板,一个固定距离的反射面,一个示波器就可以搭建。
 
四、 超声波换能器的发射驱动 
      超声波换能器的发射驱动相对简单,换能器的驱动电压只要不高于换能器的额定电压都可以。换能器的额定电压可以用 1mm厚度的陶瓷片 200Vpp 来计算。当然考虑材料的机械疲劳。我们一般不建议用太高的电压驱动。对换能器来说,在额定电压范围内,电压越高,输出的声压越强。能测的距离也就越远。实际使用过程中,并不是信号越强越好。因为信号强了,旁瓣的信号也强,旁边的障碍物的反射信号也强,很容易干扰到信号设备。下面是笔者画的测距系统框图和笔者常用的发射电路。 
      1、超声波测距产品系统框图。 
 
      2、单边推动的发射电路: 
 
      3、推挽驱动的发射电路。 
 
      在超声波发射的时候,经常有人会问匹配的问题。匹配一般来说就是两个:一是变压器和换能器的匹配。二是加电感和换能器的电容进行匹配。 
      换能器的阻抗一般都比较大,一般在几百欧姆到几 K 欧姆。所以变压器的输出是比较容易匹配的。而且测距换能器是脉冲驱动,所以一般对变压器的要求不高。变压器的匝数,初级看输入电压,一般 1V 的电压对应 0.8 匝的。匝数比用 10~15 倍就可以。 
      换能器是容性负载,如果不加电感做匹配,会有一些介电损耗。不过因为测距换能器一般带宽比较宽,笔者不建议用电感做匹配,这样你的电路可以直接使用不同频率的换能器。如果是单一频率的产品,并且换能器的 Q 值比较高的。还是可以加一个,电感量的经验公式:
      1.5*fo *2*3.14*sqrt(L*C)= 1 
      fo :工作频率 
      sqrt:开根号 
      L: 串联匹配的电感 
      C:换能器的自由电容(可以直接用万用表测得) 
 
五、 超声波信号的接收 
       超声波测距的接收放大地电路,就是一个小信号放大电路。接收到的信号比较小,而且如果测量范围大的产品,信号的动态范围很大。从 uV~几百 mV 的信号。一般要求放大倍数比较大,如果距离远,放大电路最好做 AGC 或者 TGC 处理。一般有三种处理方式。 
      笔者常用超声波的接收放大电路。 
 
1、超声波测距典型的信号处理方式一。 
      这种信号处理方式,变成测量两个上升沿的时间差。在软件上处理比较简单,但是对硬件的稳定性要求很高,对换能器一致性要求也高。任何电噪声都有可能引起误测。对环境的要
求也高。旁边的障碍物的反射信号也很容易变成噪声。不能做什么算法,产品对环境的适应性比较差。 
2、超声波测距经典信号处理方式二 
      这种信号处理方式,变成信号的包络,一般用 AD 采样判断阈值的方式来进行处理。在软件上处理比较复杂,并且可以做很多算法,不同的算法处理,对产品的适应性差别很大。但是对硬件的稳定性要求会低一些。并且环境适应性也强。 
3、超声波测距经典信号处理方式三 
      这种信号处理方式,就是原始信号的放大,可以用 AD 采样,并且用相关的方法来处理。在软件上处理比较复杂,并且可以做很多算法,不同的算法处理,对产品的适应性差别很大。但是对硬件的稳定性最低。并且环境适应性也强。 
 
六、 超声波测距的误差分析 
不管在液体还是气体中影响超声波测距精度的都有以下几个因素。 
一、气介状态下影响超声波测距精度的因素: 
      1、介质是否均匀稳定。稳定的传播介质,声波的传播速度是稳定的。气体介质变化或者介质的浓度产生变化,都会引起声波传播速度的变化。而且这种变化很难补偿。比如在密闭的罐子里面有挥发性的液体。 
      2、环境的温度。声波在气体中传播,温度变化 1 度。声速变化 0.6m/S,声速变化率约为 0.17%。因此只要温度测量误差大或者有温度梯度的环境,测量误差也会比较大。 
      3、压力。不同压力的环境声速是会变化的,一般来说压力越大,声速越大,压力越小,声速越小。压力的变化还会导致声波辐射强度变化,声波传播衰减变化。这些都有可能引起测量误差。 
二、液体状态下影响超声波测距精度的因素: 
      1、介质:介质是否均匀稳定。稳定的传播介质,声波的传播速度是稳定的。气体介质变化或者介质的浓度产生变化,都会引起声波传播速度的变化。而且这种变化很难补偿。比如在比较浓的泥浆里面,从上往下,因为泥浆的沉淀,不同层的密度是有明显差别的,那么声波传播速度也会有明显的变化。在海上,不同海域的盐度变化,对声速的影响也很明显。 
      2、环境的温度。声波在气体中传播,温度变化 1 度。声速变化 1m/S,声速变化率约为 0.06%。因此只要温度测量误差大或者有温度梯度的环境,测量误差也会比较大。在水里,因为阳光和水流的作用,很容易形成不同的温越层。因此在比较深的自然水域里面,超声波的测量误差一般在 1%~2%。 
      3、压力。不同压力的环境声速是会变化的,一般来说压力越大,声速越大,压力越小,声速越小。压力的变化还会导致声波辐射强度变化,声波传播衰减变化。这些都有可能引起测量误差。不过相对空气来说,液体里面的压力影响会比空气中小。 
 
七:总结 
      超声波测距并不是很复杂的技术,但是要做好也并不容易,从分析使用环境开始到选择合适的超声波换能器,选择合适的发射接收电路和软件处理方法,适当的使用环境因素补偿,这样才能真正的把一个产品做好。 

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