超音波控制原理
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超音波控制原理
超音波控制原理
1.超音波原理
人耳可以聽見的波動，其頻率約在16Hz到20KHz之間，如果〝波動〞的頻率高於此範圍，則人類則無法聽見，特稱之為超音波。
所謂〝波動〞即為物質中的粒子受外力作用時所產生的機械性振盪。
例如將懸掛於彈簧下方的物體向下拉使彈簧伸長，然後將物體放開，則該物體受彈簧力的作用，產生一上下往復性的振動，其偏離靜止位置的移動與時間的關係，即為正弦波。
超音波依其波傳送方向的波動方式可分為縱波、橫波、表面波、藍姆波四種。
其在料件中之傳送，根據能量不滅定律，音波在一種物質中傳送，或由一種物質傳入另一種物質時，由於受到衰減、反射及折射的作用，其能量必然愈來愈弱；但是在材料密度較大的部分，音壓卻會增大〈但因音阻抗亦變大，能量仍是減少〉，反之在疏鬆的部分，其音量變小。
圖1 為橫波（Transverse Wave）: 物質中粒子之上下振動方向與波行進方向成垂直，統稱之為橫波；橫波在能夠拉
伸或壓縮變形的彈性物質中傳遞，進而產生剪力，亦稱為剪力波、次波或扭變波，一般簡稱 S 波（Secondary Wave ）。
如圖1所示，由於氣體及液體中粒子間距較大，相互作用力較弱，較難傳送切送力，因此不能傳送橫波，使得橫波僅能存在於固體中，橫波在固體物質中傳遞的速度如下列公式： Cs = )
1(2µρ+E 公式中，Cs 為橫波波速，μ為波松比，ρ為物質密度，E 為楊式係數。
圖1 橫波（Transverse Wave）
圖2為縱波（Longitudinal Wave ）: 物質中粒子之振動方
向與波行進方向成平行，統稱之為縱波；由於此波藉由壓縮力或彈性力所造成粒子局部疏密變化，因此亦稱為壓力波或疏密波，一般簡稱 P 波（Primary Wave ）。
如圖2所示，縱波可以存在於固體、液體及氣體之中，縱波在固體物質中傳遞的速度如下列公式：
Cp = )21)(1()1(µµρµ−+−E
公式中，Cp 為縱波波速，μ為波松比，ρ為物質密度，E 為楊式 係數。
圖2 縱波（Longitudinal Wave）
圖3為表面波（Surface Wave ）: 波動以某些角度入射於物體
表面時，因縱波與橫波相互干涉結果，造成波動沿著物質表面傳遞，介質質點隨著近似橢圓形之軌跡振動且與波傳方向垂直，稱為表面波，因為表面波由雷利（Rayleigh Wave ）先生所發現的，一般簡稱 R 波，如圖3所示。
圖3 表面波（Surface Wave） 圖4為藍姆波（Lamb Wave ）: 波動以某些角度入射極薄
的複合材料或金屬板表面時，在適當的材料厚度及波動頻率下，在板的兩表面和中部都會有質點的振動，音波會遍及到整個板厚度，沿著板面與中部就會產生藍姆波，藍姆波又稱為平板波（Plate Wave ），可傳遞於物體內部及上、下表面，如圖4所示。
不但可利用藍姆波來檢測板厚級分層、裂紋等缺陷，而且檢測材料晶度與複合材料的結合度亦相當良好。
圖4 藍姆波（La mb Wave）
超音波在非破壞檢測技術的應用上，其原理為具有壓電效應之晶體，在不斷的振動下，可將電能轉換為機械能，產生超音波；反之，亦可將機械能轉換為電能，產生訊號。
常用的超音波頻率約在0.5MHz 到25MHz 之間，而其中又以1MHz 到5MHz 最為常見。
2.2.超音波感測器構造超音波感測器構造
如同圖5所示，超音波振動子係由2只壓電元件(或由1指壓電元件與金屬板)重疊而成。
此一振動子稱為雙壓電晶片(bimorph)，僅有一片壓電元件者稱為單壓電晶片(unimorph) 。
當有超音坡入射到此一振動子時，壓電元件因受振動而產生電壓。
與此相反，當壓電元件施加電壓時，即產生超音波。
圖5 超音波感測器之構造
圖6為一壓電震盪器的結構圖，它將二片壓電元件緊密的貼在一起，當一邊延伸時，另一邊便會縮短，稱為彎曲振盪之振盪器，也稱為雙型態(bimorph)振盪器。
此種雙型態振盪元件其輸出的電壓較大，而其結構也較簡單，機械強度亦佳，而其價格也較便宜。
圖6 超音波感測器的截面構造
3.3.超音波感測距離超音波感測距離
距離量測之超音波感測器，乃是利用超音波感測器之發射器發出超音波至接收器收到由目標物體反射之回映所需的時間(t) 來獲得被測物與測量源之間的距離。
其關係式：
距離=音速（C ）*飛行時間（t/2）
在一大氣壓、操作溫度為 25°C 時音波在空氣中之波速為 346m/s ，然而音速會隨溫度而變，其關係為：
音速 C = 331.3115.2731T
+
T：操作溫度（o C ）C：波速（m/s）
因此實際量測時應將溫度因素一併考慮。
對於距離測定之超音波感測器而言，在測距（以時間差為基準）時，測量頻率要儘量提高（為了準確測定回波），才能得到較高的距離解析度。
但也由於需要發射和接收切換電路控制，因此不能量測近距離。
超音波在發射之後，從目標物體反射回來的超音波強度和光的場合一樣，與目標物體的距離以及目標物體的反射率有依存性，不過，反射時間是固定的，不受目標物體反射率的影響，只要反射波被檢出，就可以在某種程度以上的精度之下測出對象物體的距離。
這是超音波感測器的最大特徵。
圖7超音波強度與距離關係圖
如圖7所示，超音波的強度會隨傳送之距離而衰減，主要原因是
由於能量的散失及分佈球面積越來越大的緣故，且超音波在空氣中的衰減與頻率成正比，超音波的頻率越高時，則其衰減越嚴重，即所傳送的距離也越短。
4.4. 超音波發射接收電路工作之原理與電路圖電路工作之原理與電路圖
圖8 超音波發射接腳圖
圖9 超音波接收接腳圖
1. 超音波驅使發射接收電路工作之原理與電路圖:
超音波的工作原理---是利用我們人類所不能聽到的聲音來工作，其為聲頻40KHz的超聲頻，利用一個震盪器及能源轉換器，將40KHz的超音波發射出去，而在另一邊的同時，裝置有一個40KHz的超音波接收器，當發射出去的超音波傳送至接收端時，便能造成接收端的內部繼電器產生動作，用此可以來作為簡單的傳送接收解釋原理!
2.發射電路原理:
I.555 IC 外接50 K可變電阻組成一個不穩態多諧振盪
器，由555 IC第三隻接腳產生脈波，調整可變電阻使第
三隻接腳輸出脈波為40.000 ~ 40.250 KHz !
II.以0.01uF的陶瓷電容來和555 IC做搭配，可以作為雜訊抑制濾波器!
III.用0.01uF的陶瓷電容以及100歐母的電阻與超音波發射接頭互相配合，使其產生40KHz的超音波驅使電路動
作!
IV.利用單晶片8051的接腳去控制555 IC是否震盪，當555 IC的第四隻腳為高電位時，將會產生震盪，反之，當
555 IC的第四隻腳為低電位時，則會停止震盪!
圖10超音波發射電路圖
3.接收電路原理:
I.用電晶體C9013配合120K，18K和470K歐姆的電阻，
將電阻分別接在電晶體C9013的BCE極，再把B極接
470K歐姆後接地，由此來組成一個具有寬頻帶的放大
器，將超音波發射接收頭收到的信號放大約60 db倍，
接由陶瓷電容做訊號檢測後，將信號送到40R超音波做
信號零位比較檢出!
II.在40R超音波正端接上120K的電阻，並加上0.02uF 的旁路電容來分隔，這樣便可以做成一個零電位準的比
較器，0.02uF的電容器是用來作為抑制雜訊用，120K
歐姆的電阻是用來提升輸出為高電位時電流(因為
LM393輸出電流非常的小) !
III.當單晶片8051接腳有正常接收到方波時，可以藉此判斷出信號確實有傳送出來!
圖11 超音波接收電路圖
5. 超音波測試
5.
當做出超音波的發射和接收電路時，就算已經接好電路，但仍無法觀測出電路接線是否正確，這時要利用示波器來幫助我們，在發射端送出一個方波，於接收端看示波器上面是否有接收到方波訊號，如果有則表示發射與接收部分功能皆正常! 而此方波電路，則由方波產生器產生即可，以下則是方波測試發射接收圖!
圖12 方波測試發射接收圖
上面黃色的方波即是由超音波的發射電路傳出來，下面綠色的方波則是接收電路有接收到的證明，由此知道電
路正確無誤!。
