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自动检测与转换技术
项目名称：超声波传感器的应用
专
业：电子信息工程技术
班
级：信息
3091
姓
名：李
龙
授课老师：张玲娜
科技进步使得今天的超声波传感器
坚固耐用并有着精确的感应能力，
这些新技术使得超
声波传感器
可以更加简单、灵活，性价比更高。这些新增的特性拓展了一个新的应用领域，
完全超越
了传统的超声波传感器的应用。
现在的超声波传感器提供给了机械设计师，
在工业
领域发现了一个新的、极具创造性的解决方案。
数年前在传感器技术领域，
超声波传感器一直是备用的选择，
设计师只有在其他的传感
技
术无法工作的时候才会选择超声波技术，
一般发生在检测透明物体，
长距离的感应或者是
当目标颜色改变时的才会采用这种技术。
新技术的应用使得今天的超声波传感器能经受得住
恶劣环境的考验，比如有
IP67
和
I
P69K
防护等级的超声波传感器可以应用于潮湿的环境中；传感器内建温度补偿电路，
在正
常或者变化的操作状态时，当有明显的温度变化，由温度补偿电路进行校对；
Teflon
型号
的超声波传感器的表面有一
种特殊涂层可以用来抵御有害化学物质的侵蚀；
先进的过滤电路
可以让超声波传感器屏蔽现场干扰；
新型传感器感应头有着更强的自我保护能力，
可以抵御
物质损害，适应比较脏乱的环境等。
一．
超声波传感器的易用性
新一代超声波传感器的一个显著特性就是使用更加简单，这包括了按钮的设置、
DIP
开
关编程和一些多重程序的选择。
其开关按钮完全内嵌于传感器装置中，
这使得调整安装传感器距离的远近非常容易，
把
目标物放在传感器前再按下按钮是一件很简单的事情。
这种传感器可以自动掌握
窗口的大小
和距离的远近。方便安装意味着同样的传感器可以适应很多不同的应用。
DIP
开关的编程方式意味着可
以为某些特殊的应用而定制一个简单的传感器，
这些个性
化的特
性包括响应时间、输出类型、开关量和模拟量选择以及用于物位
/
液位控制的特别设
定。
<
/p>
超声波传感器一般在单个传感器中都包含多种输出类型，
具有两路
开关量输出型号可以
用一个传感器同时感应两个不同距离的物体，
而同时拥有一路开关量输出和一路模拟量输出
的型号的传感器即可用于测量有提供警报
输出。
以上这些特性使得超
声波传感器与其他技术的传感器相比，
使用更加灵活，
更具选择
性。
二．
使用超声波传感器的基本原则
超声波传感器是利用传感器头部的压振陶瓷的振动，
产生高频的
人耳听不见的声波来进
行感应的，
如果这声波碰到了某个物体，
传感器就能接收到返回波。
传感器通过声波的波长
和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离。
比较具有代表
性的，
一个传
感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两
种设定，
无论物体在那一种界限里，
传感
器都可以检测到。
例如：
超声波传感器可以安装在一个装液体
的池子上，
或者是一个装小球
的箱子上，向这个容器发出声波，
通过接收到返回波的时间长短就能确定这个容器是满的、
空的或者是部分满的。
超声波传感器还有使用的是独立的发
射器和接收器的型号，
当检测缓慢移动的物体或者
在潮湿环境中
应用时，这种对射示的超声波传感器就非常适用。在检测透明物体、
液体，检
测光滑、粗糙、
有光泽的半透明材料等物体表面，
以及检测不规则物体时，
超声波传感器都
是首选。超声波传感器
不适用的情况有：
户外、极热的环境、
有压力的容器内及有泡沫
的物
体。
三．
超声波传感器选型要点
1.
范围和尺寸
被检测的物体的尺寸大小会
影响超声波传感器的最大有效范围，
传感器必须探测到一定
级别
的声波才能被激励输出信号，
一个较大的物体可以将大部分声波反射给传感器，
所以传
感器可以在它的最大限度内对此物体进行感应，
< br>而一个小物体只能反射很少的声波，
这样就
明显地减小了
感应的范围。
2.
被测物
能运用超声波传感器进行检测的最理想的物体应该是大型、
平坦、
< br>高密度的物体，
垂直
放置面对着传感器感应面。
最难检测的是那些面积非常小，
或者是可以吸收声波的材料制作
的，
比如泡沫塑料，
或者是角面对着传感器的。
一些比较困难被检测的物体可以先对物体的
背景表面进行示教，
再对放在传感器和背景之间的物体作出反应。
用于液体测量时需要要液体的表面垂直面对超声波传感器，如果液体的表面非常不平
整，
那么传感器的响应时间要调的更长一些，
它会
将这些变化做个平均，
可以比较固定的读
取。
< br>
在
Retroson
ic
模式下使
用超声波
传感器使得探<
/p>
测不规则
物体也成为可
能，在
Retrosonic
模式下，超声波传感器可以先探测一个平整的背景，
如一面墙，当任何物体通
过传感器和墙之间的时候，就会阻碍声波，传感器感应到了中断
，便会意识到出现了物体。
3.
振动
无论是传感器本身还是周围机械的振动，
都会影响距离测量的精确度。
这时可以考虑采
取一些减震措施，例如：
用橡胶的抗震
设备给传感器做一个底座，
可以减少振动，
用固定杆
也可以消除或者最大程度的减少振动。
4.
衰减
当周围环境温度缓慢变化的时候，
有温度补偿的超声波传感器可以做出调整，<
/p>
但是如果
温度变化过快，传感器将无法做出调整。
5.
误判
声波可能会被附近的一些物体反射，比如导轨或者固定
夹具，为了确保检测的可靠性，
必须减少或者排除周围物体对声波反射的影响，
为了避免对周围物体的错误检测，
许多超声
波传
感器都有一个
LED
指示器来引到操作人员进行安装，来确保这
个传感器被正确的装好，
减少出错的风险。
四．
超声波传感器的典型应用举例
超声波
传感器曾经被认为操作太过困难或者过于昂贵，但随着成本的降低和运用的方
便，
越来越多的机械设计师在设计机器时已经将超声波传感器融入进去。
超
声波传感器的工
业应用领域包括探测填充状况、探测反光物体和物质、控制环绳的膨胀和
测量距离。图
1
至图
4
是几个应用实例。
超声波清洗机
1.1
超
声
波
清
< br>洗
的
原
理
和
特
点
图
1
是超声波清洗的原理图，换能器将超声频电能转换成机械振动
并通过清洗槽壁向盛在槽
中的清洗液辐射超声波。
存在于液体中
的微气泡
(
称为空化核
)
在声波的作用下振动，
当声压
或声强达到一定值时，
气泡迅速增长，然后突然闭合。在气泡闭合时，产生冲击波，在气泡
周围产生
10
一
10
Pa
的压力及局部高温，这种物理现象称为超声空化。空化所产生的巨大压
力能破坏不溶性污物而使它们分散于溶液中。
蒸汽型空化对污垢层的直接反复冲击，<
/p>
一方面
破坏污物与清洗件表面的吸附，
另
一方面也会引起污物层的疲劳破坏而脱离。
气体型气泡的
振动对
固体表面进行擦洗，
污层一旦有缝可钻，
气泡还能
“钻入”
裂缝作振动，
使污垢脱落。
由于空化作用，
两种液体在界面迅速分散而乳化，
当固
体粒子被油污裹着而附在清洗件表面
时，油被乳化，
固体粒子自
行脱落。
超声在清洗液中传播时会产生正负交变的声压，冲击清
洗件，
同时由于非线形效应会产生声流和微声流，
而超声空化在
固体和液体界面上会产生高
速的微声流，所有这些作用能够破坏污物，除去或削弱边界污
层，增加搅拌、扩散作用，加
速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。
图
1
超声波清洗机原理图
由此可见，
凡是液体能浸到声场存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、质量高，
< br>特别
适合于清洗件表面形状复杂，如空穴、狭缝等的细致清洗，易于实现清洗自动
化。
对一般的
除油、
防锈、磷化等工艺
过程，
在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法
可提高几倍到几十倍，
清洁度也达到高标准。
在某些场合下可
以用水剂代替有机溶剂进行清
洗，
或降低酸碱的浓度。
对于一些有损人体健康的清洗，
如清洗放射性污物可以实现遥控和
自动化清洗。
超
声清洗也有其局限性，
例如对声波反射强的材料如金属、
陶瓷和
玻璃等清洗
效果好，而对声波吸收大的材料如布料、橡胶以及粘度大的污物清洗效果差。
1.2
超
声
波
清
洗
机<
/p>
的
结
构
和
参
数
设
定
(1)
超声波清洗机结构设计
超声波清洗机主要由超声波发生器、超声换能器和清洗槽组成，其结构如图
1
。超声波发生
器将
50Hz
的交流电转换成超声频电振荡信号后，
通过电缆输送给超声换能器。
清洗槽是盛放
清洗液和被清洗零部件的容器。
< br>
(2)
参数设定
为了实现超声波清洗的高效率，
应当选择最佳的声强、
频率及清洗槽声场分布等参数。
工作
频率选在
20
—
50kHz
之间。低
频声波的空化气泡大、数量少，易于清洗较粗糙物品。高频声
波空化气泡小、
数量多，
易于清洗精细且形状复杂的物品。
本超声
波清洗机用于清洗较粗糙
的生活用具，所以采用低频
20kHz
。清洗液采用碳氢清洗液，碳氢清洗液具有以下特点：清
洗性能
好，蒸发损失小，无毒，材料相容性好，不破坏环境，价格便宜。
2.1
超
声
波
发
生
器
的
选
择
。
超声
波发生器也称作超声电源，
它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的
装置。
按照所采用的工作原理，
可以把超声波发
生器分为模拟电路和数字电路两大类。
模拟
电路超声波发生器又
分为振荡一放大型和逆变型两种。
本设计采用振荡一放大型超声波发生
< br>器，其结构框图如图
2
所示。它是一个带有振荡电路的放
大器，由振荡、放大、匹配电路和
电源组成。
振荡器产生一定频
率的信号，
放大器将其放大到一定的功率输出。
达到最佳负载<
/p>
值，通过输出变压器进行阻抗匹配，并通过功放输出
振荡器
放大器
匹配器
超声换能器
电源
图
2
振荡
-
放大型超声波发生器结构框图
振荡条件：
从结构上看，正弦波振荡
器就是一个没有输入信号的、带选频网络的正反馈放大器。图
3
表示接正反馈时放大器在输入信号
X
1
=0
时的方框图，简化下得图
4
。由图
4
可知，如果
在放大器输入端
1
外接一定频率，一定幅度的正弦波信号
Xa<
/p>
，经过基本放大器和反馈网络
所构成的环路输出后，在反馈网络的
输出端
2
得到反馈信号
Xf
与
Xa
在大小和相位上都一
致，则可以除去外接信号
Xa
，将
1
、
2
两端连接在一起
< br>(
如图中虚线所示
)
而形成闭环
系统，
?
?
其输出端可继续维持与开环
时一样的输入信号，即
X
f
=
X
a
。
AF
?
?
＝
AF
＝
1
振幅平衡条件
和
?
a
+
?<
/p>
f
=2n
?
n=0,1,2,3
??
相位平衡条件
这两个式子是正弦波振
荡器产生持续振荡的两个必要条件。
振荡器的振荡频率
f
0
是由相位
平衡条件决定的。一个正弦波振荡
器只在某一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是
f0,
这就是要求在
环路中包含一个具有选
频特性的网络。它可以设置在放大器
A
中，
也可以设置在反馈网络
F
中，它可以用
R
、
C
元件组成，也可以用
L
、
C
元件组成。欲
使振荡
?
?
器能自行建立振荡，
就必须满足
＞
1
的条
件。
这样在接通电源后，振荡器就可以自行
起振，最后趋于稳态
平衡。
2.2
超
声
波
振
荡
器
设
计
AF
?
?
AF
由于
TL494
价格便宜而且性能优越，
设
计采用由开关稳压块
TL494
构成的振荡器。
振荡器电
路见图
5
图
5
振荡器电路图
将
TL494
的
5
脚
(CT)
和
6
脚
(RT)
接定时元件电阻
R
和电容
c
，即可起振，振荡器工作频率由
1
下式决定：
=
(
H
Z
) <
/p>
?
6
?
6
?
1
0.817
RC
?
1.42
?
10
由于频率选为
20k
H
Z
由上公式得
RC=0.5958
×
10
S
,
< br>振荡器输出方波的占空比是换能器
产生的超声波强度的决定因素。
通过给
TL494
的
4
脚加以一定的直流电压就可实现占空比调
整。定时元件由电容
C
、电阻
R1
和电位器
R2
构成，调节电位器
R2
即可实现频率的调整。
本机供电电源为
12V
，采用的是推挽工作方式。电阻
R3(10kQ)
< br>和电位器
R4(10kQ)
构成分压
电路，
死区时间控制端的电位应界于
2
．
5
～
5V
之间。
调节电位器
R4
亦可实现超声
波的强度
调节。
2.3
超
声
波
放
< br>大
器
设
计
f
（
1
）
超声波放大器的选择
超声波放
大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。放大部分可以是单级的，也可以是
多级的，<
/p>
主要看输出功率的需要。
早期的超声波发生器使用电子管做放大器
件，
现在则普遍
采用晶体管
（三极管、
场效应管和
IBGT
器件）
。
近年来越来越多的厂家采用功率集成电路做
超声
波发生器的放大器件。目前工业上广泛使用的超声波发生器基本上被晶体管电路垄断。
与
电子管发生器相比，晶体管发生器的优点在于体积小、
重量轻、
效率高。但从另一方面讲
由于受到方向击穿电压、
最大集电极电
流、
最大集电极耗散功率参数的限制，
通常一对晶体
管的最大输出功率只能达到百瓦级。
要提高晶体管发生器的输出能力，
除了有赖于高性能器
件外，
还必须采用高效
率的电路。传统的甲类、乙类、丙类放大器是把有源器件作为电流源
工作。
在这些放大器中，
晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。
集电极电流受基极激励信号
控制作相应变化。
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