「技术文章」超声波发送接收详解

发布人：电子资料库时间：2023-02-14 来源：工程师发布文章

声波是一种机械振荡，它包括正相和负相压力脉冲的变化，我们的组成给出了一个完整的波。一般来说，我们可以把它们分为三类，声波、次声和超声波。第一个是每秒16-16000个周期的音频区域，声音可以感知正常人。然后我们有次声在前面的下面，覆盖范围从每秒1到16个周期，是非常有害的。最后，我们把超声波放在音频波段之外，即20kHz，然后再处理它们。

超声波能量以纵波的形式在介质中传播。与构成传输介质的纵向粒子中的横波不同，在波的传播方向上，粒子在其平衡位置附近振荡，能量沿与振荡方向平行的方向传播。根据波背后的理论，这就产生了凝块和稀释，而没有物质转移。

在这一点上，我们可以参考超声波的行为和与物质相互作用的方式。

衰减

声衰减是任何传输介质中不可避免的现象，它在空间中传播时会降低声波的强度。这种还原遵循指数衰减定律，即：

I (x) = I zeroe -μx

更具代表性的形式是：

衰减是由于介质粒子的振荡需要能量，而能量是由载能波抽运的。这使声音的形式张力减少

热。这种衰减率代表了铺展剂，通常称为衰减系数。

波浪反射

超声波反射到表面上的入射。下面的方案可以为我们提供一个p表示波显示现象的概述。

然而，反射取决于两种介质的声阻抗Z，其定义为：

Z = ρ *c

式中，用p表示介质的密度，c表示声波在该介质中的传播速度。如前所述，声波将减弱，因此反射波和行波相对于入射波的宽度将减小。因此我们设置反射率，其数学表达式如下：

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

由于上面的原因趋于零，所以我们倾向于有一个完整的滚动，如果这个比率趋于驱动，就有一个完整的反射。

超声波的结束语应该说，它们在物理、工程、工业和医学等各个科学分支都有广泛的应用。超声开始应用于医学，多普勒方法是最常用的成像方法，近年来其应用越来越广泛。甚至我们也可以在声纳技术、喷墨式打印机等集成电路行业中遇到他们，并最终在与我们类似的应用中，比如距离测量。

超声波传感器

在这一点上，我们将对仪器进行描述，使我们能够进行所需的测量。这个仪器叫做传感器它被定义为一种通过转换电信号，或者它的意思是电压或者现在的. 传感器的显示范围很广，取决于我们所测量的物理量，如温度、物体的位移、液位、速度和加速度、辐射等。

在这一点上，我们可以提到逆变器，它是一种吸收系统能量并将其转化为另一种形式的能量的装置。例如转换器是一个电阻器，它接收电能（电能）并将其转换为温度（热能）。计分系统使用那些能转换成电能，其他形式的能量的传感器，因为这允许测量的处理。基于上述原因传感器和转换器通常在计量行业也有同样的重要性。

传感器可分为两大类，有源和无源。这种分离的标准是需要提供一个外部电压才能运行。在有源传感器中，必须将一种形式的能量转换成电能。这种传感器提供与被测物值成比例的输出电压或电流，而不需要外部电源。这种传感器的一些例子是热电偶和压电传感器，我们在我们的系统中使用它们。上面提到的另一类是无源传感器，其工作基于电特性、电阻或电感的变化，例如通过改变计量量。但在这种情况下，它需要外部电源才能产生相应的电信号，这类传感器的一些例子就是光刻胶。通常，物理尺寸会引起尺寸（如长度、宽度）或电磁特性（例如介电常数、磁导率）的变化。

以下是用于各种物理测量的传感器，如温度、压力或辐射，如将要看到的，所占面积可能会因我们的需求或制造成本的不同而不同。

首先，我们看到一个最简单和广泛使用的传感器，一个温度传感器。

该传感器适用于电子温度计和空调。

另一种测量光辐射的传感器是CCD型传感器，它在数码相机中有着广泛的应用。

发现在医学和化学科学中的重要应用，各种测量和化学传感器，其中一个例子如下所示。

但是有些传感器的体积比上面的要大得多。因此，我们得到了传感器探测器，它在备受争议的欧洲核子研究中心实验中被用来探测亚原子粒子，如下所示。

超声波传感器的特点

我们将继续描述传感器，并参考其基本特性。

传递函数或特性曲线：单传感器传递函数是传感器输出中的电流与测量的物理量值之间的关系，通常由制造商用数学关系给出，对于我们有线性元件的情况，该关系可归因于如下图表。

敏感性：灵敏度是特别重要的特性，在某些情况下，这对于实现精确测量至关重要。由以下数学关系定义：S = dVo/ dXi dXi被定义为被测物的变化 dVo是传感器输出信号的相应变化。

测量范围：测量范围定义了设备和可靠运行的范围。通常传感器提到两个测量区域，一个用于输入，一个用于输出。这一特性也很重要，相关人员应予以考虑，因为它可能导致失真，甚至不发生测量。

滞后：磁滞现象被称为当输入方向的改变发生逆转时，传感器的输出出现差异的现象，通常发生在磁性材料或机械系统中，并导致测量精度下降。下图显示了这种现象的典型情况。
校准：它是确定传感器传递函数的过程。所以通过测量传感器输出信号的值，就可以计算出被测幅值的值。但校准装置是指将未知精度的测量仪器与相应的已知精度仪器进行比较，以确定或优化精度的过程。后者也叫校准
漂移：由于工作温度或湿度等因素，传感器输出信号可能会发生变化，而不会被测量物理量的相应变化所察觉。上述现象称为漂移。但也有长期漂移由于传感器部件的劣化、污染或材料老化等因素。

死区：死区被称为测量范围，在这个范围内传感器对测量量的变化没有反应，这个区域通常在零左右。

传感器分辨率：最后，我们将提到传感器最重要的特性之一，即分辨率。这个尺寸使得传感器可以感知的输入变化最小。仅此定义我们就可以理解，分辨率是传感器用户绝对应该考虑的一个特性。

系统中用于描述工作的传感器属于压电换能器这种传感器的工作原理是压电效应这是1880年皮埃尔和雅克·居里发现的。由于晶体的正应力和负应力的反向运动，导致晶体的负向变形。上述过程的结果是产生电压的比例偏转晶体。

压电效应发生在某些类型的晶体中，如晶体和石英罗谢尔，或一些陶瓷材料，如钛酸钡 .

这种现象的一个重要特性是可逆性，即在晶体上施加电压容易引起畸变。逆现象在作动器（作动器）的设计中有着广泛的应用。压电晶体变形的测量可以通过测量产生的负载或负载上产生的电压来实现。然而，这种现象是由于通过晶体的电荷泄漏（自放电）而观察到的，即使畸变是恒定的，电压也会沿着放电曲线逐渐趋于零，利用晶体主要测量动态变形、压力和力。

所使用的传感器利用了这一现象，只有晶体的机械变形导致的谐波的产生就在超声波的作用范围内。所述类型传感器的等效电气特性如下所示。

以及相应的频率响应：

其中，黄色区域是传感器正常工作的区域，而顶部向右形成表示晶体的机械共振。

对于我们开发的这样一个系统，需要一个****和一个接收器。以上分析的压电晶体假设了这些功能。当我们在太空中施加电压并产生一个模拟超声波时，它的功能就像一个****。然后另一个相同的晶体接收到这种机械波并将其转换成电压。为了进行基于反射法的测量，****的机械波撞击振动表面上的传感器并将其反射。当接收器检测到反射后，将其转换为电信号（电压），然后引导其进行处理。如果使用两个传感器，如我们的例子，使用一个作为****（TX）和一个充当接收器（RX）。但还有第二类，其特点是它们充当****和接收器。

超声测量工作原理

超声波测量的实现最初是基于一个非常简单的物理函数，即超声反射，因为那是一个波。程序如下：通过我们的****将超声波发送到被测表面，然后被反射回来并被接收器接收。超声波是为了得到一个测量值而被利用的。在使用超声波进行测量时，有两种主要的方法。第一种方法是TOF（飞行时间），第二种方法使用多普勒现象和同名。然后，我们将介绍每种方法的使用方法和适用的情况。

飞行时间法

这种方法的特点是简单。通常应用于距离测量系统或深度和声纳测量中的液位。该方法的工作原理如下。当时钟开始计数时，系统发出的超声波。一旦采集到超声波，时钟就会停止计数，系统考虑到超声波传播速度和测量时间，就可以输出您选择的距离的估计值。如图所示，这是一个相当简单的方法，但足够可靠。

多普勒法

另一种在超声波测量领域有应用的方法是多普勒法。这种方法利用了物理学研究的同音现象，是我们选择进行测量的方法。为此，我们将简要介绍一下。多普勒现象由奥地利的克里斯蒂安·多普勒命名，他在1842年提出。对于以相对于产生波的源的速度移动的观察者来说，这种现象会改变波的频率。我们日常生活中的一个典型例子就是一辆带警笛的过往车辆。当车辆接近我们时，接收到的频率比****的频率要高，移除后接收到的频率比****的频率低。