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你了解超声波传感器吗?

来源: | 发布日期:2022-02-23
超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类,即电声型与流体动力型。电声型主要有:1压电传感器;2磁致伸缩传感器;3静电传感器。流体动力型中 包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同,超声传感器的结 构形式是多种多样的,并且名称也有不同,例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声 传感器称作探头,而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成,是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件,是超声波检测 装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英,铌酸 锂等,属于压电陶瓷的有锆钛酸铅,钛酸钡等。其具有下列的特性:把这种材料置于 电场之中,它就产生一定的应变;相反,对这种材料施以外力,则由于产生了应变就 会在其内部产生一定方向的电场。所以,只要对这种材料加以交变电场,它就会产生 交变的应变,从而产生超声振动。因此,用这种材料可以制成超声传感器。 


传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动,即可发射声脉冲,是逆压电效应。当超声波作用于晶片时,晶片受迫振动引起的形变 可转换成相应的电信号,是正压电效应。前者用于超声波的发射,后者即为超声波的 接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料 较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不 断变化的交流电压时,根据压电效应,就会使压电陶瓷晶片产生机械变形,这种机械 变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说,在 压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振 动推动空气等媒介,便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用,这 将会使其产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的,机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。 

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压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的,超声波发内部结构如图2.1所示,它有两个压电晶片和一个共振板,当它的两极外加信号,其频率等于压电晶 片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并共振板振动,便产生超声波。反之, 如果两电极间未外加电压,当共振板接超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能 转化为电信号,这时它就成为波传感器。 


压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率,即中心频率f0。发射超声波时,在其上面 的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样,超声传感器较高的灵敏度。当 所用压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就常方便的改变其固有谐振频 率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器超声波传感器的内部结构由压电陶瓷 晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线属壳及金属网构成,其中,压电陶瓷晶片是传感器
的核心,锥形辐射喇叭使和接收超声波能量集中,并使传感器有一定的指向角,金属 壳可防止外界力压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的,但 不影响与接收超声波。 


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