超声波传感技术的研究与应用

超声波传感器的实验报告

一、超声波传感器的定义：

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。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。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。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

超声波传感器的原理：

二、超声波传感器按其工作原理，可分为

1、压电式

2、磁致伸缩式

3、电磁式

压电式超声波传感器

压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。常用的敏感元件材料主要有压电晶体和压电陶瓷。

根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器（发射探头）和接收器（接收探头） 两种，根据结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。

压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。

压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种用途。

典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，底面接地，上面接至引出线。为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片，在压电晶片下粘合一层保护膜。吸收块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收超声波的能量。 磁致伸缩式超声波传感器

超声波传感器的使用方法和测距准确度

超声波传感器是一种常用的测距设备，它利用了声波在空气中传播的特性来测量距离。在工业自动化、智能家居和机器人等领域，超声波传感器被广泛应用。本文将介绍超声波传感器的使用方法和测距准确度，以帮助读者更好地了解和应用这种传感技术。

一、超声波传感器的工作原理

超声波传感器通过发射超声波脉冲并接收反射回来的声波来测量距离。其工作原理基于声波在空气中传播的速度是已知的，因此可以通过测量声波的往返时间来计算距离。传感器的发射器发射超声波脉冲，然后等待接收到反射波的时间，通过测量时间间隔就可以得到距离。

二、超声波传感器的使用方法

超声波传感器的使用非常简单，只需连接至相应的电路和控制器。在测距前，用户需要进行以下几个步骤：

1. 确定适当的超声波传感器型号：超声波传感器有多种不同型号和规格可供选择，因此用户需要根据实际需求选择适合的型号。一般来说，传感器的功耗、测距范围和精度是需要考虑的重要因素。

2. 连接电源和信号线：超声波传感器通常需要接入电源和信号线，以便传输测距数据和控制信号。用户需要根据传感器的规格和要求，正确连接相应的线缆。

3. 安装传感器：根据实际应用场景，用户需要将超声波传感器正确安装在测距的目标物体附近。要保证传感器与目标物体之间没有遮挡物，以充分发挥传感器的功能。 4. 数据采集和处理：连接超声波传感器后，用户可以通过相应的控制器或电路板来采集和处理传感器输出的数据。一般情况下，用户可以将测距数据用数字设备进行显示或存储，也可以通过编程实现更复杂的功能。

三、超声波传感器的测距准确度

超声波传感器的测距准确度是使用者非常关注的一个重要指标。其测距准确度主要受到以下几个因素的影响：

1. 传感器频率：超声波传感器的频率决定了其测距能力的上限。一般来说，频率越高，传感器的测距精度越高。但是高频的传感器通常功耗也较高，因此需要根据实际需求权衡测距范围和功耗。

PVDF超声检测传感器的原理与应用

目前，国内在激光超声波检测方面大多局限于声场理论的探讨，需要新的检测技术来测量高频超声波，如阵列传感接收装置。阵列检测不仅能同时检测多个不同位置点，而且能够产生检测对象的图像。阵列检测技术既能提高检测质量又能减少检测时间。PVDF是一种半结晶性聚合物，由CF2CH2长链分子构成，广泛应用于航空航天、铁路、石油化工等现代工业领域。新型PVDF材料具有良好的力学与压电性能，适用于制作声波的接收器件，开发新型PVDF阵列的超声波接收传感器件具有下列优势：①成本比相控阵检测技术要低；②可用于测量薄膜材料的力学参数；③通过成像技术能够得到薄膜材料亚表面特征和多个力学参数。本文对PVDF压电薄膜材料的优缺点及传感机理等进行概述，研究PVDF圆膜及其影响因素，并设计梳状传感器，探讨其超声检测性能。

二、PVDF压电薄膜

（--）PVDF压电薄膜的优缺点

PVDF材料压电应变常数低，机电耦合系数较小，压电电压常数高，具有极高灵敏度；PVDF薄膜厚度极薄，可紧贴于物体表面，几乎不影响被粘物体结构；介电强度高，电场耐受力强，在强电场下仍可保持原有性能；声阻抗低，可有效防止声波信号失真；材质软，易加工，可制成大面积阵列传感器和各种不规则形状传感器；热电性强，可制成火灾报警器、防盗报警器、非接触温度计等。此外，PVDF薄膜还具有频响宽、热稳定性好等优点。

（二）PVDF压电薄膜的传感机理

PVDF压电薄膜受力形变产生极化电荷，极化电荷的大小与分布与物体形变密切相关。在零外电场情况下，PVDF压电薄膜的输出信号是它在各方向的应变总响应，强度较弱，须经运算放大器放大后，才可进行后续处理。 （三）PVDF压电薄膜的制备方法

PVDF压电薄膜制备方法有有流延法、匀胶法、小分子蒸发镀膜法和压膜法等。其中流延法对设备要求较低，成品致密性好，强度高，因此成为最常见的制备方法。将PVDF溶于定量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，经过滤、真空除气泡、升温蒸发等操作，除去NMP，在流延皿上形成一层薄膜，即为原始的PVDF薄膜。经拉伸、极化等后续工艺，可制得具有高压电性的PVDF薄膜。

传感及检测仪表　

Ｂａｕｍｅｒ超声波传感器在烟草包装机上的应用　马万强，谢红文　（山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂，济南２５０１０４）　摘要：针对采用传统办法对烟草包装机胶位检测不稳定的问题展开研究。阐述了Ｂａｕｍｅｒ公司￣ＵＮＤＫ　３０Ｕ６１１．３／　Ｓ１４传感器用在烟草包装机胶位检测上的原理及维修调整方法。　关键词：包装机；超声波；模拟信号；声学特性　Ｂａｕｍｅｒ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｔｏｂａｃｃｏ　Ｐａｃｋｉｎｇ　Ｕｎｉｔ　ＭＡＷａｎ－ｑｉａｎｇ，ＸＩＥＨｏｎｇ・ｗｅｎ　（ＪｉｎａｎＣｉｇａｒｅｔｔｅＦａｃｔｏｒｙｏｆＣｈｉｎａＴｏｂａｃｃｏＳｈａｎｄｏｎｇｌｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏ．，ＬＴＤ，Ｊｉｎａｎ２５０１０４，Ｃｈｉｎａ）　ＡｂＳ【旧烈：Ｔｈｅｉｓｓｕｅｓｏｆｏｒｉｇｉｎａｌｃｉｇａｒｅｔｔｅｐａｃｋｉｎｇｕｎｉｔｇｅｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｕｔｔｓｔａｂｌｅａｒｅｓｍｄｉｅ＆ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄａｄｊｕｓｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆＢａｕｍｅｒＵＮＤＫ　３０Ｕ６１１．３／Ｓ１４　ｓｅｎｓｏｒｕｓｅｄｉｎｔｏｂａｃｃｏｐａｃｋｉｎｇｕｎｉｔｇｅｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｃｋｉｎｇｕｎｉｔ；ｕｌＷａｓｏｎｉｃ；ａｎａｌｏｇ　ｓｉｇｎａｌ；ａｃｏｕｓｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　０引言　２　ＵＮＤＫ　３０Ｕ６１１．３／Ｓ１４传感器的应用　超声波技术的声学特性虽早已为人们所认识。但　是，把超声波技术运用到工业测量中，则是近一、二十　年来，随着微电脑及电子技术的发展，对超声波信号发　射、捕捉及处理手段的日益完善才得以实现的。目前，　超声波物位计和超声波流量计已被广泛使用。　超声波物位计的测量原理：超声波物位计运用了　超声波的声学特性，即在一定条件下超声波在空气中　的传播速度是一定的，所以通过测量超声波从探头传　播至料位表面并返回到探头所用的时间，来计算探头　到料位的距离，再用总高减去这个距离即可得实际料　位。即：　Ｌ：　一ｈ＝日一ＣＴ／２＝　（ｃｎ＋ｃ￣ｔ）Ｔ／２　式中，日为零料位到探头的距离；　为料位表面到探头的　距离；Ｔ为时间；Ｃ。为０℃时超声波在空气中的传播速　度；　为超声波速度的温度系数；ｆ为温度。　１烟草行业包装机胶位检测应用现状　烟草行业早期包装机大多采用电容式传感器检　测胶位，胶缸内搅拌辊作用容易使电容式传感器检　测端沾满乳胶，从而导致电容式传感器出现大的质　量事故。　近十几年来，随着微电子技术的发展和超声波传　感器的问世，烟草行业包装机逐渐采用了超声波传感　器来检测胶位。应用效果稳定、可靠。　作者简介：马万强（１９７０－），电工技师、电气工程师，主要从事卷　烟机、包装机电控系统维护改造工作　收稿日期：２０１０－０５－０６　６０　ｗｗｗ．ａｕｔｏ—ａｐｐｌｙ．ｃｏｍ；自动化应用　近年来，烟草行业不断引进的高速包装机的小盒　胶缸胶位检测采用了Ｂａｕｍｅｒ公司的ＵＮＤＫ　３０Ｕ６１　１．３／Ｓ１４　超声波传感器，其外形如图１所示，电气参数如下：　工作电压范围＋　，１２￣３０　ＶＤＣ；　电流消耗（最大），３５ｍＡ；输出电路　ＰＮＰ，常闭（Ｎｃ）；输出电压，０￣１０Ｖ；　压降，　ｒｄ＜２ＶＤＣ；残余信号＜１０％　；　短路保护，是；反向极性保护，是。　其控制过程：超声波传感器　检测输出值通过压频转换器送给　ＣＰＵ，ＣＰＵ把采集到的实际值与软　件内部设定值进行逻辑运算，然　后决定胶泵是否注胶，注胶到什　么位置停止以及超出上下限报警　停机等，同时ＣＰＵ不断比较超声波　当前输出值是否在“胶泵注胶上　图１　ＵＮＤＫ　３０Ｕ６１１．３／　Ｓ　１４超声波传感器　外形图　限值”和“胶泵注胶下限值”之间，否则，报警“胶位读取　不协调”故障。控制原理如图２所示。　胶位上限值　胶泵注胶上限位　胶位理想值　胶泵注胶下限值　胶位下限值　图２超声波传感器控制原理　３超声波传感器的设定及调整　（１）该传感器有２种设定方式：０－１０Ｖ或１０－０Ｖ，这里　（下转第６３页）