如石英,妮酸锂等,属于压电陶瓷的有锆钛酸铅,钦酸钡等。其具有下列的特性:
把这种材料置于电场之中,它就产生一定的应变;相反,对这种材料施以外力,则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以,只要对这种材料加
以交变电场,它就会产生交变的应变,从而产生超声振动。因此,用这种材料可
以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片,当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振
动,即可发射声脉冲,是逆压电效应。当超声波作用于晶片时,晶片受迫振动引
起的形变可转换成相应的电信号,是正压电效应。前者用于超声波的发射,后者
即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感
器需要的压电材料较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶
瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时,根据压电效应,就会使压电陶瓷晶
片产生机械变形,这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小
和方向成正比的。也就是说,在压电陶瓷晶片上加有频率为 交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气等媒介,便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用,这将会使其产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的,机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
超声波传感器采用双晶振子,即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起,在长度方向上,一片伸长另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极,其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端,下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形,正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子,发送超声波时,圆锥形振子有较强的方向性,因而能高效率地发送超声波;接收超声波时,超声波的振动集中于振子的中心,所以能产生高效率的高频电压。
2.2.2 超声波传感器的种类
超声波传感器根据应用范围的不同可分为以下四类:
(1) 通用性超声波传感器
超声波传感器的带宽一般为几kHz,并具有选频特性。通用型超声波传感器的频带窄,但是灵敏度较高,抗干扰性强。但通用型接收传感器与发送传感器是分开使用的,测量中必须成对使。在多通道通信使用时器件比较多,使用不方便,采用宽频带传感器较为方便。因为宽频带传感器发送和接收是共用一个探头的传感器输出开路时,其输出电压较高,但阻抗也高,易受噪声的影响,通常要接入几k到几百k的电阻。
(2) 宽带型超声波传感器
宽带型超声波传感器在工作带宽内具有两个谐振频率,即具有两个谐振点。所以,一个传感器可以兼作接收传感器与发送传感器。宽带传感器具有两个谐振频率,其频率特性就相当于两种传感器的组合。因此,在很宽频带范围内具有较高的灵敏度。
(3) 密封型超声波传感器
密封型超声波传感器对环境的适应性较强,可应用于汽车后方检测物体的装置以及待时计算器等。
(4) 高频型超声波传感器
上述各种类型传感器的中心频率只有数十kHz,但中心频率高于100kHz的传感器近来也有销售。
2.2.3 超声传感器的主要参数及选择
(1) 主要参数
1. 中心频率
中心频率,即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时,输出能量最大,传感器的灵敏度最高。中心频率越高,测距越短,而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等。
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