物理论文机械波

机械波在电气领域的应用

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姓名：赵志华

学号：0916301096

班级：电气09—3班

指导老师：薛中会

传感器的应用

摘要：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此广泛应用在工业、国防、通讯等方面。

一、技术原理：

超声波检测必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标，包括；

（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

二、结构及工作原理

超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。

1、超声波测距仪：

HpAWK超高能声波测距技术HpAWK系列产品使超声波测距技术有了重大的突破，它不仅拓宽了超声波测距技术的应用场合（适用极恶劣工的工作环境），而且使用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户使用无后顾之忧。

2、超声波探鱼器：

超声波测量技术其原理很简单，说得高档点的名称叫“多普拉效应”，山村孩童便叫“回音”，就如在一山谷叫一声“你好吗”，不一会听见好像有人学你的说话一

样“你...好...吗...”。人们正由此点，开发出超声波测量技术。像自然界中，以蝙蝠都可算为代表了，在蝙蝠洞里既要觅食，又要用声波测距，而要在洞内用超声波测距是一件很困难的事情，很先进的科技产品也做不到。在空中，当声音鼓动空气而向前传递讯息时，遇到大小不同、软硬不一的物体时，其会产生相应强弱的反射声音，而我们以咪高峰接收此反弹回来的声音，计算其反弹的时间差距，从而可了解前面物体与你的距离，由其反弹的强弱，得知物体的大小，此为超声波在空中测量的应用原理，一如在机场使用的雷达。

3、超声波测水位

超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成

水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。

在智能声学水位传感器工作中，用户可以根据实际需要选择安装不同个数的温度传感器。为了便于互换和维护，每个DS1820有独自的单线接口与微处理器连接通讯。智能声学水位传感器可以挂接1～8个温度传感器。当传感器测量至水面距离时，如果是声程范围内温度均匀或对精度要求较低时，可以不使用温度传感器，通过自校准技术直接测量水位，如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位（声程）的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度

浮子式水位传感器的缺点是机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散；压力式水位传感器工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定；超声波水位传感器的优势：在测量过程中没有任何部件接触水面，实现了非接触测量。不需建设观测井，基建投资少，见效快。运动部件，不因部件磨损锈蚀而产生故障，提高了无故障工作时间。周边环境无特殊要求，具有很高的兼容性，可多种组合，功能齐全，能够满足各种用户要求。实时全变量温度补偿，精度高，运用有线或无线传输水位信息，时效性强，降低劳动强度，提高了现代化水平。软件功能齐全，更适于水位站使用，提高经济效益。故本文选用的是超声波传感器。

超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，因此，超声波传感器接收信号一般在lmV-1V之间。这么微弱的电信号，一般都要经过放大才能使用。除此之外，接收探头接收到信号后，向电路中输出的是交变的正弦波电压信号，这就需要设计交流放大电路。这里选用两个运算放大器组成两级放大电路，放大倍数可达100倍。经这经这样处理后，最后接收电路所输出的是正常的电压信号。

三、前景展望

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。

【参考文献】

[1] 何希才.传感器及其应用电路[M].北京:电子工业出版社,2001.

[2] 白泰礼,何羚,王彩云等.基于振弦式传感器的多功能智能检测仪.传感器技术,2004,23(3):60.