「技術(shù)文章」超聲波發(fā)送接收詳解

聲波是一種機械振蕩，它包括正相和負相壓力脈沖的變化，我們的組成給出了一個(gè)完整的波。一般來(lái)說(shuō)，我們可以把它們分為三類(lèi)，聲波、次聲和超聲波。第一個(gè)是每秒16-16000個(gè)周期的音頻區域，聲音可以感知正常人。然后我們有次聲在前面的下面，覆蓋范圍從每秒1到16個(gè)周期，是非常有害的。最后，我們把超聲波放在音頻波段之外，即20kHz，然后再處理它們。

超聲波能量以縱波的形式在介質(zhì)中傳播。與構成傳輸介質(zhì)的縱向粒子中的橫波不同，在波的傳播方向上，粒子在其平衡位置附近振蕩，能量沿與振蕩方向平行的方向傳播。根據波背后的理論，這就產(chǎn)生了凝塊和稀釋?zhuān)鴽](méi)有物質(zhì)轉移。

在這一點(diǎn)上，我們可以參考超聲波的行為和與物質(zhì)相互作用的方式。

聲衰減是任何傳輸介質(zhì)中不可避免的現象，它在空間中傳播時(shí)會(huì )降低聲波的強度。這種還原遵循指數衰減定律，即：

I (x) = I zeroe -μx

更具代表性的形式是：

衰減是由于介質(zhì)粒子的振蕩需要能量，而能量是由載能波抽運的。這使聲音的形式張力減少

熱。這種衰減率代表了鋪展劑，通常稱(chēng)為衰減系數。

超聲波反射到表面上的入射。下面的方案可以為我們提供一個(gè)p表示波顯示現象的概述。

然而，反射取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗Z，其定義為：

Z = ρ *c

式中，用p表示介質(zhì)的密度，c表示聲波在該介質(zhì)中的傳播速度。如前所述，聲波將減弱，因此反射波和行波相對于入射波的寬度將減小。因此我們設置反射率，其數學(xué)表達式如下：

（p two/p one) = (Z one-Z two )/（Z） oneZ two )

由于上面的原因趨于零，所以我們傾向于有一個(gè)完整的滾動(dòng)，如果這個(gè)比率趨于驅動(dòng)，就有一個(gè)完整的反射。

超聲波的結束語(yǔ)應該說(shuō)，它們在物理、工程、工業(yè)和醫學(xué)等各個(gè)科學(xué)分支都有廣泛的應用。超聲開(kāi)始應用于醫學(xué)，多普勒方法是最常用的成像方法，近年來(lái)其應用越來(lái)越廣泛。甚至我們也可以在聲納技術(shù)、噴墨式打印機等集成電路行業(yè)中遇到他們，并最終在與我們類(lèi)似的應用中，比如距離測量。

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在這一點(diǎn)上，我們將對儀器進(jìn)行描述，使我們能夠進(jìn)行所需的測量。這個(gè)儀器叫做傳感器它被定義為一種通過(guò)轉換電信號，或者它的意思是電壓或者現在的. 傳感器的顯示范圍很廣，取決于我們所測量的物理量，如溫度、物體的位移、液位、速度和加速度、輻射等。

在這一點(diǎn)上，我們可以提到逆變器，它是一種吸收系統能量并將其轉化為另一種形式的能量的裝置。例如轉換器是一個(gè)電阻器，它接收電能（電能）并將其轉換為溫度（熱能）。計分系統使用那些能轉換成電能，其他形式的能量的傳感器，因為這允許測量的處理?；谏鲜鲈騻鞲衅骱娃D換器通常在計量行業(yè)也有同樣的重要性。

傳感器可分為兩大類(lèi)，有源和無(wú)源。這種分離的標準是需要提供一個(gè)外部電壓才能運行。在有源傳感器中，必須將一種形式的能量轉換成電能。這種傳感器提供與被測物值成比例的輸出電壓或電流，而不需要外部電源。這種傳感器的一些例子是熱電偶和壓電傳感器，我們在我們的系統中使用它們。上面提到的另一類(lèi)是無(wú)源傳感器，其工作基于電特性、電阻或電感的變化，例如通過(guò)改變計量量。但在這種情況下，它需要外部電源才能產(chǎn)生相應的電信號，這類(lèi)傳感器的一些例子就是光刻膠。通常，物理尺寸會(huì )引起尺寸（如長(cháng)度、寬度）或電磁特性（例如介電常數、磁導率）的變化。

以下是用于各種物理測量的傳感器，如溫度、壓力或輻射，如將要看到的，所占面積可能會(huì )因我們的需求或制造成本的不同而不同。

首先，我們看到一個(gè)最簡(jiǎn)單和廣泛使用的傳感器，一個(gè)溫度傳感器。

該傳感器適用于電子溫度計和空調。

另一種測量光輻射的傳感器是CCD型傳感器，它在數碼相機中有著(zhù)廣泛的應用。

發(fā)現在醫學(xué)和化學(xué)科學(xué)中的重要應用，各種測量和化學(xué)傳感器，其中一個(gè)例子如下所示。

但是有些傳感器的體積比上面的要大得多。因此，我們得到了傳感器探測器，它在備受爭議的歐洲核子研究中心實(shí)驗中被用來(lái)探測亞原子粒子，如下所示。

我們將繼續描述傳感器，并參考其基本特性。

• 傳遞函數或特性曲線(xiàn)：?jiǎn)蝹鞲衅鱾鬟f函數是傳感器輸出中的電流與測量的物理量值之間的關(guān)系，通常由制造商用數學(xué)關(guān)系給出，對于我們有線(xiàn)性元件的情況，該關(guān)系可歸因于如下圖表。

• 敏感性：靈敏度是特別重要的特性，在某些情況下，這對于實(shí)現精確測量至關(guān)重要。由以下數學(xué)關(guān)系定義：S = dVo/ dXi dXi被定義為被測物的變化 dVo是傳感器輸出信號的相應變化。

• 測量范圍：測量范圍定義了設備和可靠運行的范圍。通常傳感器提到兩個(gè)測量區域，一個(gè)用于輸入，一個(gè)用于輸出。這一特性也很重要，相關(guān)人員應予以考慮，因為它可能導致失真，甚至不發(fā)生測量。

• 滯后：磁滯現象被稱(chēng)為當輸入方向的改變發(fā)生逆轉時(shí)，傳感器的輸出出現差異的現象，通常發(fā)生在磁性材料或機械系統中，并導致測量精度下降。下圖顯示了這種現象的典型情況。

• 校準：它是確定傳感器傳遞函數的過(guò)程。所以通過(guò)測量傳感器輸出信號的值，就可以計算出被測幅值的值。但校準裝置是指將未知精度的測量?jì)x器與相應的已知精度儀器進(jìn)行比較，以確定或優(yōu)化精度的過(guò)程。后者也叫校準

• 漂移：由于工作溫度或濕度等因素，傳感器輸出信號可能會(huì )發(fā)生變化，而不會(huì )被測量物理量的相應變化所察覺(jué)。上述現象稱(chēng)為漂移。但也有長(cháng)期漂移由于傳感器部件的劣化、污染或材料老化等因素。

• 死區：死區被稱(chēng)為測量范圍，在這個(gè)范圍內傳感器對測量量的變化沒(méi)有反應，這個(gè)區域通常在零左右。

• 傳感器分辨率：最后，我們將提到傳感器最重要的特性之一，即分辨率。這個(gè)尺寸使得傳感器可以感知的輸入變化最小。僅此定義我們就可以理解，分辨率是傳感器用戶(hù)絕對應該考慮的一個(gè)特性。

系統中用于描述工作的傳感器屬于壓電換能器這種傳感器的工作原理是壓電效應這是1880年皮埃爾和雅克·居里發(fā)現的。由于晶體的正應力和負應力的反向運動(dòng)，導致晶體的負向變形。上述過(guò)程的結果是產(chǎn)生電壓的比例偏轉晶體。

壓電效應發(fā)生在某些類(lèi)型的晶體中，如晶體和石英羅謝爾，或一些陶瓷材料，如 鈦酸鋇 .

這種現象的一個(gè)重要特性是可逆性，即在晶體上施加電壓容易引起畸變。逆現象在作動(dòng)器（作動(dòng)器）的設計中有著(zhù)廣泛的應用。壓電晶體變形的測量可以通過(guò)測量產(chǎn)生的負載或負載上產(chǎn)生的電壓來(lái)實(shí)現。然而，這種現象是由于通過(guò)晶體的電荷泄漏（自放電）而觀(guān)察到的，即使畸變是恒定的，電壓也會(huì )沿著(zhù)放電曲線(xiàn)逐漸趨于零，利用晶體主要測量動(dòng)態(tài)變形、壓力和力。

所使用的傳感器利用了這一現象，只有晶體的機械變形導致的諧波的產(chǎn)生就在超聲波的作用范圍內。所述類(lèi)型傳感器的等效電氣特性如下所示。

以及相應的頻率響應：

其中，黃色區域是傳感器正常工作的區域，而頂部向右形成表示晶體的機械共振。

對于我們開(kāi)發(fā)的這樣一個(gè)系統，需要一個(gè)****和一個(gè)接收器。以上分析的壓電晶體假設了這些功能。當我們在太空中施加電壓并產(chǎn)生一個(gè)模擬超聲波時(shí)，它的功能就像一個(gè)****。然后另一個(gè)相同的晶體接收到這種機械波并將其轉換成電壓。為了進(jìn)行基于反射法的測量，****的機械波撞擊振動(dòng)表面上的傳感器并將其反射。當接收器檢測到反射后，將其轉換為電信號（電壓），然后引導其進(jìn)行處理。如果使用兩個(gè)傳感器，如我們的例子，使用一個(gè)作為****（TX）和一個(gè)充當接收器（RX）。但還有第二類(lèi)，其特點(diǎn)是它們充當****和接收器。

超聲波測量的實(shí)現最初是基于一個(gè)非常簡(jiǎn)單的物理函數，即超聲反射，因為那是一個(gè)波。程序如下：通過(guò)我們的****將超聲波發(fā)送到被測表面，然后被反射回來(lái)并被接收器接收。超聲波是為了得到一個(gè)測量值而被利用的。在使用超聲波進(jìn)行測量時(shí)，有兩種主要的方法。第一種方法是TOF（飛行時(shí)間），第二種方法使用多普勒現象和同名。然后，我們將介紹每種方法的使用方法和適用的情況。

這種方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單。通常應用于距離測量系統或深度和聲納測量中的液位。該方法的工作原理如下。當時(shí)鐘開(kāi)始計數時(shí)，系統發(fā)出的超聲波。一旦采集到超聲波，時(shí)鐘就會(huì )停止計數，系統考慮到超聲波傳播速度和測量時(shí)間，就可以輸出您選擇的距離的估計值。如圖所示，這是一個(gè)相當簡(jiǎn)單的方法，但足夠可靠。

另一種在超聲波測量領(lǐng)域有應用的方法是多普勒法。這種方法利用了物理學(xué)研究的同音現象，是我們選擇進(jìn)行測量的方法。為此，我們將簡(jiǎn)要介紹一下。多普勒現象由奧地利的克里斯蒂安·多普勒命名，他在1842年提出。對于以相對于產(chǎn)生波的源的速度移動(dòng)的觀(guān)察者來(lái)說(shuō)，這種現象會(huì )改變波的頻率。我們日常生活中的一個(gè)典型例子就是一輛帶警笛的過(guò)往車(chē)輛。當車(chē)輛接近我們時(shí)，接收到的頻率比****的頻率要高，移除后接收到的頻率比****的頻率低。

這種現象的數學(xué)描述如下：

f = ( c ± ur /c±us)f zero

哪里：

• c是介質(zhì)中的聲速

• ur與觀(guān)察者的速度有關(guān)，如果觀(guān)察者向源移動(dòng)，則為正。

• us以及彈簧剛度，如果從觀(guān)察者身上移除了源，則認為是正的。

• f0是源的****頻率

從上面我們可以理解，通過(guò)發(fā)送超聲波到一個(gè)表面，我們將采取的反射波，這是很容易通過(guò)測量頻移來(lái)提取該表面的振動(dòng)速度值。另外，如果我們使用TOF方法，我們可以同時(shí)檢測到正確的位置。

應用中遇到的現象就足夠了，而且在一個(gè)廣泛的科學(xué)領(lǐng)域。最初的醫學(xué)應用于成像或血流測量，目前仍在雷達技術(shù)領(lǐng)域繼續發(fā)展，以測量物體的速度。在天文學(xué)中，這種效應被用來(lái)測量恒星和星系接近或離開(kāi)地球的速度。