「技術(shù)文章」超聲波發(fā)送接收詳解

聲波是一種機(jī)械振蕩，它包括正相和負(fù)相壓力脈沖的變化，我們的組成給出了一個(gè)完整的波。一般來(lái)說(shuō)，我們可以把它們分為三類，聲波、次聲和超聲波。第一個(gè)是每秒16-16000個(gè)周期的音頻區(qū)域，聲音可以感知正常人。然后我們有次聲在前面的下面，覆蓋范圍從每秒1到16個(gè)周期，是非常有害的。最后，我們把超聲波放在音頻波段之外，即20kHz，然后再處理它們。

超聲波能量以縱波的形式在介質(zhì)中傳播。與構(gòu)成傳輸介質(zhì)的縱向粒子中的橫波不同，在波的傳播方向上，粒子在其平衡位置附近振蕩，能量沿與振蕩方向平行的方向傳播。根據(jù)波背后的理論，這就產(chǎn)生了凝塊和稀釋，而沒有物質(zhì)轉(zhuǎn)移。

在這一點(diǎn)上，我們可以參考超聲波的行為和與物質(zhì)相互作用的方式。

聲衰減是任何傳輸介質(zhì)中不可避免的現(xiàn)象，它在空間中傳播時(shí)會(huì)降低聲波的強(qiáng)度。這種還原遵循指數(shù)衰減定律，即：

I (x) = I zeroe -μx

更具代表性的形式是：

衰減是由于介質(zhì)粒子的振蕩需要能量，而能量是由載能波抽運(yùn)的。這使聲音的形式張力減少

熱。這種衰減率代表了鋪展劑，通常稱為衰減系數(shù)。

超聲波反射到表面上的入射。下面的方案可以為我們提供一個(gè)p表示波顯示現(xiàn)象的概述。

然而，反射取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗Z，其定義為：

Z = ρ *c

式中，用p表示介質(zhì)的密度，c表示聲波在該介質(zhì)中的傳播速度。如前所述，聲波將減弱，因此反射波和行波相對(duì)于入射波的寬度將減小。因此我們?cè)O(shè)置反射率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

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

由于上面的原因趨于零，所以我們傾向于有一個(gè)完整的滾動(dòng)，如果這個(gè)比率趨于驅(qū)動(dòng)，就有一個(gè)完整的反射。

超聲波的結(jié)束語(yǔ)應(yīng)該說(shuō)，它們?cè)谖锢?、工程、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等各個(gè)科學(xué)分支都有廣泛的應(yīng)用。超聲開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，多普勒方法是最常用的成像方法，近年來(lái)其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。甚至我們也可以在聲納技術(shù)、噴墨式打印機(jī)等集成電路行業(yè)中遇到他們，并最終在與我們類似的應(yīng)用中，比如距離測(cè)量。

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在這一點(diǎn)上，我們將對(duì)儀器進(jìn)行描述，使我們能夠進(jìn)行所需的測(cè)量。這個(gè)儀器叫做傳感器它被定義為一種通過(guò)轉(zhuǎn)換電信號(hào)，或者它的意思是電壓或者現(xiàn)在的. 傳感器的顯示范圍很廣，取決于我們所測(cè)量的物理量，如溫度、物體的位移、液位、速度和加速度、輻射等。

在這一點(diǎn)上，我們可以提到逆變器，它是一種吸收系統(tǒng)能量并將其轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量的裝置。例如轉(zhuǎn)換器是一個(gè)電阻器，它接收電能（電能）并將其轉(zhuǎn)換為溫度（熱能）。計(jì)分系統(tǒng)使用那些能轉(zhuǎn)換成電能，其他形式的能量的傳感器，因?yàn)檫@允許測(cè)量的處理?；谏鲜鲈騻鞲衅骱娃D(zhuǎn)換器通常在計(jì)量行業(yè)也有同樣的重要性。

傳感器可分為兩大類，有源和無(wú)源。這種分離的標(biāo)準(zhǔn)是需要提供一個(gè)外部電壓才能運(yùn)行。在有源傳感器中，必須將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成電能。這種傳感器提供與被測(cè)物值成比例的輸出電壓或電流，而不需要外部電源。這種傳感器的一些例子是熱電偶和壓電傳感器，我們?cè)谖覀兊南到y(tǒng)中使用它們。上面提到的另一類是無(wú)源傳感器，其工作基于電特性、電阻或電感的變化，例如通過(guò)改變計(jì)量量。但在這種情況下，它需要外部電源才能產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，這類傳感器的一些例子就是光刻膠。通常，物理尺寸會(huì)引起尺寸（如長(zhǎng)度、寬度）或電磁特性（例如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率）的變化。

以下是用于各種物理測(cè)量的傳感器，如溫度、壓力或輻射，如將要看到的，所占面積可能會(huì)因我們的需求或制造成本的不同而不同。

首先，我們看到一個(gè)最簡(jiǎn)單和廣泛使用的傳感器，一個(gè)溫度傳感器。

該傳感器適用于電子溫度計(jì)和空調(diào)。

另一種測(cè)量光輻射的傳感器是CCD型傳感器，它在數(shù)碼相機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用。

發(fā)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)和化學(xué)科學(xué)中的重要應(yīng)用，各種測(cè)量和化學(xué)傳感器，其中一個(gè)例子如下所示。

但是有些傳感器的體積比上面的要大得多。因此，我們得到了傳感器探測(cè)器，它在備受爭(zhēng)議的歐洲核子研究中心實(shí)驗(yàn)中被用來(lái)探測(cè)亞原子粒子，如下所示。

我們將繼續(xù)描述傳感器，并參考其基本特性。

• 傳遞函數(shù)或特性曲線：?jiǎn)蝹鞲衅鱾鬟f函數(shù)是傳感器輸出中的電流與測(cè)量的物理量值之間的關(guān)系，通常由制造商用數(shù)學(xué)關(guān)系給出，對(duì)于我們有線性元件的情況，該關(guān)系可歸因于如下圖表。

• 敏感性：靈敏度是特別重要的特性，在某些情況下，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量至關(guān)重要。由以下數(shù)學(xué)關(guān)系定義：S = dVo/ dXi dXi被定義為被測(cè)物的變化 dVo是傳感器輸出信號(hào)的相應(yīng)變化。

• 測(cè)量范圍：測(cè)量范圍定義了設(shè)備和可靠運(yùn)行的范圍。通常傳感器提到兩個(gè)測(cè)量區(qū)域，一個(gè)用于輸入，一個(gè)用于輸出。這一特性也很重要，相關(guān)人員應(yīng)予以考慮，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致失真，甚至不發(fā)生測(cè)量。

• 滯后：磁滯現(xiàn)象被稱為當(dāng)輸入方向的改變發(fā)生逆轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器的輸出出現(xiàn)差異的現(xiàn)象，通常發(fā)生在磁性材料或機(jī)械系統(tǒng)中，并導(dǎo)致測(cè)量精度下降。下圖顯示了這種現(xiàn)象的典型情況。

• 校準(zhǔn)：它是確定傳感器傳遞函數(shù)的過(guò)程。所以通過(guò)測(cè)量傳感器輸出信號(hào)的值，就可以計(jì)算出被測(cè)幅值的值。但校準(zhǔn)裝置是指將未知精度的測(cè)量?jī)x器與相應(yīng)的已知精度儀器進(jìn)行比較，以確定或優(yōu)化精度的過(guò)程。后者也叫校準(zhǔn)

• 漂移：由于工作溫度或濕度等因素，傳感器輸出信號(hào)可能會(huì)發(fā)生變化，而不會(huì)被測(cè)量物理量的相應(yīng)變化所察覺。上述現(xiàn)象稱為漂移。但也有長(zhǎng)期漂移由于傳感器部件的劣化、污染或材料老化等因素。

• 死區(qū)：死區(qū)被稱為測(cè)量范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)傳感器對(duì)測(cè)量量的變化沒有反應(yīng)，這個(gè)區(qū)域通常在零左右。

• 傳感器分辨率：最后，我們將提到傳感器最重要的特性之一，即分辨率。這個(gè)尺寸使得傳感器可以感知的輸入變化最小。僅此定義我們就可以理解，分辨率是傳感器用戶絕對(duì)應(yīng)該考慮的一個(gè)特性。

系統(tǒng)中用于描述工作的傳感器屬于壓電換能器這種傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)這是1880年皮埃爾和雅克·居里發(fā)現(xiàn)的。由于晶體的正應(yīng)力和負(fù)應(yīng)力的反向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致晶體的負(fù)向變形。上述過(guò)程的結(jié)果是產(chǎn)生電壓的比例偏轉(zhuǎn)晶體。

壓電效應(yīng)發(fā)生在某些類型的晶體中，如晶體和石英羅謝爾，或一些陶瓷材料，如 鈦酸鋇 .

這種現(xiàn)象的一個(gè)重要特性是可逆性，即在晶體上施加電壓容易引起畸變。逆現(xiàn)象在作動(dòng)器（作動(dòng)器）的設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。壓電晶體變形的測(cè)量可以通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生的負(fù)載或負(fù)載上產(chǎn)生的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，這種現(xiàn)象是由于通過(guò)晶體的電荷泄漏（自放電）而觀察到的，即使畸變是恒定的，電壓也會(huì)沿著放電曲線逐漸趨于零，利用晶體主要測(cè)量動(dòng)態(tài)變形、壓力和力。

所使用的傳感器利用了這一現(xiàn)象，只有晶體的機(jī)械變形導(dǎo)致的諧波的產(chǎn)生就在超聲波的作用范圍內(nèi)。所述類型傳感器的等效電氣特性如下所示。

以及相應(yīng)的頻率響應(yīng)：

其中，黃色區(qū)域是傳感器正常工作的區(qū)域，而頂部向右形成表示晶體的機(jī)械共振。

對(duì)于我們開發(fā)的這樣一個(gè)系統(tǒng)，需要一個(gè)****和一個(gè)接收器。以上分析的壓電晶體假設(shè)了這些功能。當(dāng)我們?cè)谔罩惺┘与妷翰a(chǎn)生一個(gè)模擬超聲波時(shí)，它的功能就像一個(gè)****。然后另一個(gè)相同的晶體接收到這種機(jī)械波并將其轉(zhuǎn)換成電壓。為了進(jìn)行基于反射法的測(cè)量，****的機(jī)械波撞擊振動(dòng)表面上的傳感器并將其反射。當(dāng)接收器檢測(cè)到反射后，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓），然后引導(dǎo)其進(jìn)行處理。如果使用兩個(gè)傳感器，如我們的例子，使用一個(gè)作為****（TX）和一個(gè)充當(dāng)接收器（RX）。但還有第二類，其特點(diǎn)是它們充當(dāng)****和接收器。

超聲波測(cè)量的實(shí)現(xiàn)最初是基于一個(gè)非常簡(jiǎn)單的物理函數(shù)，即超聲反射，因?yàn)槟鞘且粋€(gè)波。程序如下：通過(guò)我們的****將超聲波發(fā)送到被測(cè)表面，然后被反射回來(lái)并被接收器接收。超聲波是為了得到一個(gè)測(cè)量值而被利用的。在使用超聲波進(jìn)行測(cè)量時(shí)，有兩種主要的方法。第一種方法是TOF（飛行時(shí)間），第二種方法使用多普勒現(xiàn)象和同名。然后，我們將介紹每種方法的使用方法和適用的情況。

這種方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單。通常應(yīng)用于距離測(cè)量系統(tǒng)或深度和聲納測(cè)量中的液位。該方法的工作原理如下。當(dāng)時(shí)鐘開始計(jì)數(shù)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出的超聲波。一旦采集到超聲波，時(shí)鐘就會(huì)停止計(jì)數(shù)，系統(tǒng)考慮到超聲波傳播速度和測(cè)量時(shí)間，就可以輸出您選擇的距離的估計(jì)值。如圖所示，這是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的方法，但足夠可靠。

另一種在超聲波測(cè)量領(lǐng)域有應(yīng)用的方法是多普勒法。這種方法利用了物理學(xué)研究的同音現(xiàn)象，是我們選擇進(jìn)行測(cè)量的方法。為此，我們將簡(jiǎn)要介紹一下。多普勒現(xiàn)象由奧地利的克里斯蒂安·多普勒命名，他在1842年提出。對(duì)于以相對(duì)于產(chǎn)生波的源的速度移動(dòng)的觀察者來(lái)說(shuō)，這種現(xiàn)象會(huì)改變波的頻率。我們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)典型例子就是一輛帶警笛的過(guò)往車輛。當(dāng)車輛接近我們時(shí)，接收到的頻率比****的頻率要高，移除后接收到的頻率比****的頻率低。

這種現(xiàn)象的數(shù)學(xué)描述如下：

f = ( c ± ur /c±us)f zero

哪里：

• c是介質(zhì)中的聲速

• ur與觀察者的速度有關(guān)，如果觀察者向源移動(dòng)，則為正。

• us以及彈簧剛度，如果從觀察者身上移除了源，則認(rèn)為是正的。

• f0是源的****頻率

從上面我們可以理解，通過(guò)發(fā)送超聲波到一個(gè)表面，我們將采取的反射波，這是很容易通過(guò)測(cè)量頻移來(lái)提取該表面的振動(dòng)速度值。另外，如果我們使用TOF方法，我們可以同時(shí)檢測(cè)到正確的位置。

應(yīng)用中遇到的現(xiàn)象就足夠了，而且在一個(gè)廣泛的科學(xué)領(lǐng)域。最初的醫(yī)學(xué)應(yīng)用于成像或血流測(cè)量，目前仍在雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展，以測(cè)量物體的速度。在天文學(xué)中，這種效應(yīng)被用來(lái)測(cè)量恒星和星系接近或離開地球的速度。