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340;宽广频段.2.1.2超声的发展史
超声的研究和发展,与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关.1883年Galton首次制成超声气哨,其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流,吹动圆形刀口振动形成共振腔,从而产生超声.此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器.山于这类换能器成本低,所以经过不断改进,至今仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中.
20世纪初,电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器.1917年,法国物理学家朗之万(PaulLangevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器,并成功地应用于水下探测潜艇.随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展,又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器,以及各种不同用途的电动型,电磁力型,静电型等多种超声换能器.
材料科学的发展,使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电祸合系数高,价格低廉,性能良好的压电陶瓷,人工压电单晶,压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)等.产生和检测超声波的频率,也由几十千赫提高到上千兆赫.产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波,扭转波,弯曲波,表面波等.如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达,电子通信和成像技术等方面.
2.1.3超声的分类
利用超声波易于获得指向性极好的定向声束,超声波在媒质中的反射,折射,衍射散射等传播规律与可听声波并无质的区别,超声在一般流体媒质(气体,液体)中的传播理论已较成熟.同时,当超声在媒质中传播时,由于声波和媒质之间的相互作用,使媒质发生一系列物理的和化学的变化,也出现一系列力学,光学,电,化学等超声效应因此,就超声的物理机制和应用目的来看,可大致分为检测超声和功率超声.
检测超声主要是利用超声的信息载体作用,即通过超声在媒质中的传播,吸收,波形转换等,提取反映媒质本身特性或内部结构的信息,达到检测媒质性质,物体形状或几何尺寸,内部缺陷或结构的目的.如超声测距,测厚,测物位,工业测井,工业无损探伤,测媒质的流速,密度,粘度,硬度等等.广义的说,医学上以人体为检测对象的超声医学诊断,如超声显微镜,超声成像,以海洋探测及水下目标识别为目的的水声应用等,也归于此类.功率超声则主要利用超声的能量对物质的作用,即利用超声振动产生的大功率,高强度超声波,来改变物质的性质与状态.如超声清洗,焊接,加工,粉碎,促进化学或生物医学效应等.
2.1.4超声声速的计算
由于超声有很好的指向性,超声在某种媒质中的传播速度较为恒定,因此超声最常用的功能是距离测量及定位.
假设超声波通过的媒质是空气,任何物体都能反射,吸收,折射一部分通过
它自身的声波,其比例依赖于物体自身的均衡度.反射波的振幅与目标物体上能
产生反射的表面成比例.表面尺寸,形状,方位是影响反射波强度的主要因素.
目标物体的组成成份也是一个因素.一部分声波发射到达物体表面后被反射,一
部分则进入物体,在物质中传输,最终被遇到的物体界面反射.因此你也可以接
收到来自物体内部的信号,不过它是很细微的.
声波传播涉及能量经过空间的传递.从声源发出的声波向各个方向扩散时,声波可能被反射,折射,散射,衍射,干涉和吸收.
声波的传输需要一种媒质,声波在媒质中的传播的速度,称为声速.其符号为c,单位为m/s.由声波产生的物理过程可知,声速与质点速度是完全不同的,声波的传播只是扰动形式和能量的传递,并不把在各自平衡位置附近振动的媒质质点传走.某种媒质中的声速主要取决于该媒质的密度和温度.
由于气体没有剪切弹性,只有体积弹性,因而气体中的声波的传播形式只能是纵波.也就是说,在声扰动下,气体媒质中的质点在各自平衡位置附近运动,形成稠密和稀疏依次交替的传递过程,而且,质点运动的方向与声波传播的方向一致.
声速在相当大的频率范围内不随频率发生变化,也就是说超声的传播速度与可听声波的传播速度是相同的,超声波在媒质中的反射,折射,衍射,散射等传播规律与可听声波的并无质的区别,与一般声波相比,超声具有更好的定向性,并且可以穿透不透明物质.超声在一般流体媒质(气体,液体)中的传播理论已较成熟.
可知,超声波在空气中的传播速度为:
(2.1)
其中为环境温度.这样,在实际测量中,我们可以根据声速与温度的关系作相应的温度补偿.
2.1.5使用超声波和使用激光测距的比较
基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合,激光测距主要用于远程,如测月球到地球距离,或远距离无障碍测距,而且成本要比用超声波大,因为光速为3×10^8M/S,而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆,如果测量的距离在十米左右,那么假设单片机别的都不做只是计数,出射光将在大约0.033us后返回,要求单片机CLK为1/0.033MHz,也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令,光就已经在它的下个CLK脉冲来到了,更别提计数了,即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要(通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高).但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1摄式度,声波速度增加
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0.6mPs.所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差.另外超声波在传输距离稍大时衰减很大,精度也随之降低.
2.2超声波换能器的介绍
2.2.1超声波换能器的分类
为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器.总体上讲,超声波器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波.电气方式包括压电型,磁致伸缩型和电动型等,机械方式有加尔统笛,液哨和气流旋笛等.它们所产生的超声波的频率,功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同.
图2-1双压晶片示意图
图2-1是双压晶片示意图.在上下层间施加交流电压时,若上片的电场与极化方向相同,则下面的方向相反.因此,上下一伸一缩,形成超声波振动.
图2-2是双压电晶片的等效电路
图2-2是双压电晶片的等效电路.C0为静电电容,R为陶瓷材料介电损耗并联电阻,Cm和Lm为机械共振回路的电容和电感.Rm为损耗串联电阻.
压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率,即中心频率fo,发射超声波时,加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率fo一致,接收超声波时,作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有频率fo一致.这样,超声传感器才有较高的灵敏度.
当所用的压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就可非常方便地改变其固有谐振频率.利用这一特性可制成各种频率的超声传感器.用于测距的传感器的中心频率一般为40KHz.
2.2.3超声波换能器的基本构造
目前较为常用的是压电式超声波器.压电式超声波器40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳,同时为了处理方便,发射的超声波被调制成40KHz左右,具有一定间隔的调制脉冲波信号.本测距仪使用的超声波换能器是TCT40-12F1(T发射)和TCT40-12S1(R接收),中心频率是40KHz.超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多,如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在4—8CM,否则过于靠近易产生干扰.若将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来可提高抗干扰性能.
2.3超声波测距电路原理
由于超声波发射与接收器件所具&
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