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詳解超聲波生成器的原理

發(fā)布時(shí)間:2020-07-09 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】頻率在 2000 赫茲以上,不觸及人類聽覺的機(jī)械振動(dòng)波。超聲波作為一種非接觸式檢測方法,與其他技術(shù)方法相比,在惡劣環(huán)境中具有較強(qiáng)的適應(yīng)力,不受光和顏色的影響,相比其他技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低的優(yōu)點(diǎn),更適合近距離測距。
    
頻率在 2000 赫茲以上,不觸及人類聽覺的機(jī)械振動(dòng)波。超聲波作為一種非接觸式檢測方法,與其他技術(shù)方法相比,在惡劣環(huán)境中具有較強(qiáng)的適應(yīng)力,不受光和顏色的影響,相比其他技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低的優(yōu)點(diǎn),更適合近距離測距。
 
人們已經(jīng)制造了許多超聲波生成器。一般來說,超聲波生成器分為兩種:一種是電氣手段產(chǎn)生超聲波,另一種是機(jī)械方式生成超聲波。包括壓電式、磁致伸縮式等電氣手段; Garton 笛、液體哨和空氣哨等機(jī)械方式。它們產(chǎn)生的超聲波特性都不相同,因此以不同的方式使用。 
 
詳解超聲波生成器的原理
 
通過壓電晶體的諧振來實(shí)現(xiàn)壓電超聲波生成器的工作。它由一片共振板和兩片晶片組成。對雙極施加脈沖信號,頻率等于晶片的振蕩頻率時(shí),驅(qū)動(dòng)共振板振動(dòng),發(fā)射出超聲波。
 
如果在兩個(gè)電極之間沒有施加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí),晶片將被迫振動(dòng),機(jī)械能被轉(zhuǎn)換為電信號。此時(shí),就作為超聲波接收器使用。壓電超聲波生成器的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
 
 詳解超聲波生成器的原理
圖 1 超聲波簡易結(jié)構(gòu)圖
 
超聲波距離測量原理非常簡單,一般采用回波時(shí)間法,即檢測超聲波往返所測距離的時(shí)間,當(dāng)發(fā)射器發(fā)出一個(gè)短脈沖時(shí),定時(shí)器啟動(dòng);當(dāng)接收器接收到返回脈沖時(shí),定時(shí)器立即停止。
 
此時(shí)記錄的時(shí)間值為 D = CT / 2,其中 D 為超聲波傳感器與測量對象之間的距離,C 為介質(zhì)中聲波的傳播速度(C = 331.4+t273 / 1m / s,t 是攝氏溫度),T 是超聲波發(fā)射回波的時(shí)間間隔。
 
理論上,超聲波在正常空氣中傳播速度隨著介質(zhì)溫度的升高而有所加快,溫度提高了一度,速度提高 0.6 m/s 左右。原理結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
 
詳解超聲波生成器的原理
圖 2 超聲波傳感器工作原理圖    
 
超聲波傳感器主要由三部分組成:控制部分,總線部分,超聲波發(fā)射接收部分。
 
主控芯片通過 I/O 口發(fā)送信號,通過總線發(fā)送到兩個(gè)發(fā)生電路中,控制著兩個(gè)超聲波的發(fā)射,然后再由兩個(gè)信號接收電路對接收超聲波信號進(jìn)行放大,最后通過總線傳送到主控芯片的輸入端口,然后根據(jù)發(fā)射接收時(shí)間差 T,計(jì)算出傳感器與障礙物之間的距離,最后根據(jù)距離對輪椅的行駛安全性進(jìn)行判斷,并做出相應(yīng)動(dòng)作。原理如圖 3 所示。
 
 詳解超聲波生成器的原理
圖 3 超聲波發(fā)射原理圖
 
通過分析超聲波的衰減特性和空氣阻尼(超聲波傳感器靈敏度曲線如圖 4 所示),同時(shí)考慮到敏感度的影響,超聲波頻率約為 40 kHz 時(shí)的空氣傳輸效率最好。
 
為便于處理,發(fā)射部分被調(diào)制為大約 40k 赫茲的調(diào)制脈波信號。發(fā)射部分主要由超聲波發(fā)射器和多諧波振蕩電路和六路非門驅(qū)動(dòng)放大器芯片組成。
 
多諧波振蕩電路由兩個(gè) NAND 門 IC1A,IC1B 和 R1,R2 和一個(gè)可調(diào)電阻組成。振蕩頻率通過對可調(diào)電阻的調(diào)整來控制,由下式確定: 
 
詳解超聲波生成器的原理

詳解超聲波生成器的原理
圖 4 超聲波靈敏度曲線圖
 
接收部分主要由接收電路和放大電路和比較器組成。當(dāng)距離過遠(yuǎn)的情況下,回聲是非常弱的,因此轉(zhuǎn)換電信號幅度也是較小的,這就要求要對信號進(jìn)行放大 60 萬倍,因此超聲波模塊采用了三級放大電路。
 
由三個(gè)運(yùn)算放大器 IC3A、IC3B 及 IC3C 組成了三級放大電路,前兩級可以各放大一百次,第三級可以放大約六十次。接收信號整流濾波電路,可把接收的 40k 赫茲反射波交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。而第四個(gè)運(yùn)算放大器 IC3D 用作電壓比較器,把接收的直流電壓信號和設(shè)置電壓進(jìn)行比較。
 
當(dāng)接收信號的電壓大于設(shè)置電壓時(shí),比較器就會(huì)輸出高電平,Q1 導(dǎo)通,使比較器的相應(yīng)輸出端電平置低,然后傳輸給主控芯片,主控芯片檢測到高電平就開始中斷,根據(jù)超聲波從發(fā)送到接收所經(jīng)歷的時(shí)間就可計(jì)算出距離。超聲波接收電路原理如圖 5 所示。
 
詳解超聲波生成器的原理
圖 5 超聲波接收原理圖
 
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