超声波传感器的应用

根据超声波的传播方向来看，超声波传感器的应用有两种基本类型。当超声波发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声波发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或料位、金属探伤以及测厚等。下面简要介绍超声波传感器的几种应用。

(一) 超声波测厚

图7－22 超声波测厚

1－双晶直探头 2－引线电缆 3－入射波 4－反射波 5－试件 6－测厚显示器设定键(a) 超声波测厚原理 (b) 超声波测厚仪的使用

测量试件厚度的方法: 电感测微器 (分辨力可达0.5μm)、电涡流测厚仪 (只能测0.1mm以内的金属厚度)、数显电容式游标卡尺 (分辨力可达10μm)。本节介绍超声波测厚仪。

超声测厚仪特点: 量程范围大、无损、便携等。

缺点: 测量精度与温度及材料的材质有关，它可用于测量钢及其他金属、有机玻璃、硬塑料等材料的厚度。

从图7－22可看出，双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲进入被测试件，在到达试件底部时，被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。这样只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘上被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测试件中所经历的来回距离，从而可以求出厚度δ，即

(二) 超声波测量液位和物位

图7－23 超声波液位计原理图

1－液面 2－直管 3－空气超声探头 4－反射小板 5－电子开关

如图7－23，在液位上方安装空气传导型超声发射器和接收器。根据超声波的往返时间就可以测出液体的液位。

例7－1 超声波液位计原理如图7－23所示，从显示屏上测得t0=2ms，th1=5.6ms。已知水底与超声探头的间距为10m，反射小板与探头的间距为0.34m，求液位h。

解: 由于

所以有

所以液位h为

h=h2－h1= (10－0.95) m=9.05m

由于空气中的声速随温度改变会造成温漂，所以在传送路径中还设置了一个反射性良好的小板作标准参照物，以便计算修正。上述方法除了可以测量液位外，也可以测量粉体和粒状体的物位。

(三) 超声防盗报警器

图7－24为超声报警电路，上半部分为发射部分，下半部分为接收部分的电原理框图。它们装在同一块线路板上。

发射器的电路原理: 发射器发射出频率f=40kHz左右的连续超声波 (空气超声探头选用40kHz工作频率可获得较高灵敏度，并可避开环境噪声干扰)。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移Δf。

接收器的电路原理: 接收器收到两个不同频率所组成的差拍信号 (40kHz的基频信号以及偏移的频率为40kHz±Δf的信号)。这些信号由40kHz选频放大器放大，并经检波器检波后，由低通滤波器滤去40kHz信号，而留下Δf的多普勒信号。此信号经低频放大器放大后，由第二检波器转换为直流电压，去控制声、光报警器。

图7－24 超声防盗报警器电原理框图

多普勒效应: 当超声波源与传播介质之间存在相对运动时，接收器接收到的频率与超声波源发射的频率将有所不同，产生的频偏±Δf与相对速度的大小及方向有关。

举例: 当高速行驶的火车向你逼近和掠过时，所产生的变调声就是多普勒效应引起的。

◇习题七◇

一、填空题

1. 气敏传感器一般由__________、__________和__________三部分组成。

2. 湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用__________和__________两种表示方法。它们的符号分别是__________和__________表示。

3. 电涡流式传感器是根据__________原理制成的。

4. 根据超声波的传播方向来看，超声波传感器分为__________和__________传感器。各举两例:__________、__________和__________、__________。

二、选择题

1. 为了防止煤矿中瓦斯爆炸事故的发生，报警器中经常采用的传感器是 ( )。

A. 湿敏传感器 B. 超声波传感器

C. 气敏传感器 D. 霍尔传感器

2. 机场、海关、钱币厂、监狱的出/入口检测系统，为了有效地探测出枪支、匕首等金属武器经常采用 ( ) 进行检测。

A. 湿敏传感器 B. 超声波传感器

C. 电涡流传感器 D. 霍尔传感器

3. 超声波的频率范围是 ( )。

A.20Hz～20kHz B.0Hz～20Hz C.20kHz以上

4. 电涡流传感器可以检测出 ( ) 的靠近程度。

A. 人体 B. 水 C. 金属零件 D. 塑料零件

三、搜一搜

请上网查阅有关“霍尔钳形表”“气敏传感器”的网页资料，写出其中一种的型号和参数。