人類耳朵能聽到的聲波頻率為20HZ~20KHz。當(dāng)聲波的振動頻率大于20KHz或小于20Hz時,我們便聽不見了。因此,我們把頻率高于20KHz赫茲的聲波稱為“超聲波”。因其方向性好,穿透能力強,易于獲得較集中的聲能,在水中傳播距離遠,可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。如超聲波清洗機,超聲波加濕器,醫(yī)學(xué)檢查B超,彩超,超聲波探傷儀等。
聲音是由振動產(chǎn)生的,能夠產(chǎn)生超聲波的裝置就是超聲波傳感器,習(xí)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(fā)射超聲波,也可以接收超聲波。構(gòu)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,使用前必須預(yù)先了解它的性能。
常用的是壓電式超聲波發(fā)生器,是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波傳感器探頭內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動,便產(chǎn)生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉(zhuǎn)換為電信號,這時它就成為超聲波接收器了。 超聲波傳感器就是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時候,將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去;而在接收時,則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。
超聲波測距原理:
最常用的超聲測距的方法是回聲探測法,如下圖,超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來,超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s,即:s=340t/2
超聲波發(fā)射電路:由555定時器產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號,加到超聲波探頭的引腳上,使內(nèi)部的壓電晶片產(chǎn)生共振,向外發(fā)射超聲波。
超聲波接收電路: 由于超聲波接收探頭產(chǎn)生的電信號非常弱,需要進行放大處理,下圖,由晶體管和運算放大器LM324構(gòu)成放大電路,對接收信號放大后,驅(qū)動繼電器。