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超声波传感器的原理与应用 超声波传感器的特性 超声波的特征 压电式超声波传感器的基本工作原理 超声波传感器的特性 超声波传感器测距的基本原理 实训1：超声波传感器的特性测试 超声波的特征 什么是超声波？ 人耳可听到的声音频率为20 Hz～20 kHz之间。人耳听不到的声波：当频率高于20 kHz的称为超声波； 频率低于20Hz的称为次声波。 超声波的特征： 超声波为直线传播方式，频率越高，就越接近光学的反射、折射等特性。因此可利用上述性质制成超声波传感器。 超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，因此超声波传感器的使用变得非常简单。 超声波的波动模式 当声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同时，声波的波型也不同。通常有： ① 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播； ② 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播； ③ 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 压电式超声波传感器的基本工作原理 超声波传感器按原理划分有压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等等， 其中压电式最常用，我们以压电式为代表重点介绍。 人们利用压电材料的压电效应制成压电式超声波传感器（由发送器和接收器构成）。 压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。 超声波传感器是可逆元件。 超声波发送器是利用逆向压电效应制成——即在压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波一疏密波形式传播，传送给超声波接收器。 而超声波接收器是利用正向压电效应制成——即接收到的超声波促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，就产生与超声波频率相同的高频电压。 当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。 空气中用超声波传感器的结构 超声波传感器的选型 一般市售的超声波传感器有专用型和兼用型两种：专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。 超声波传感器的谐振频率（即压电元件的中心频率）为23KHz、40KHz 、75KHz、 200KHz、400KHz 等。因为超声波在空气中传播时衰减很大，衰减的程度与频率成正比，但是谐振频率越高则分辨率也会越高，则检测距离变短，所以短距离测量时一般选频率高的传感器（100KHZ以上），长距离测距只能选频率低的传感器。 超声波传感器的特性 现以专用的在空气中传播的成对配套使用的超声发射器与接收器为例来介绍： 通常发送传感器工作于输出最大的串联谐振频率，而接收传感器工作于接收灵敏度最高的并联谐振频率；通过实验我们发现，发送传感器的串联谐振频率与接收传感器的并联谐振频率几乎一致。 因此超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附近使用。超声波接收头必须采用与发射头对应的型号，关键是谐振频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。 另外，超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。 超声波传感器的特性 本系统所使用的发射器和接收器是以中心频率（或谐振频率）和直径为参数来划分：其型号为TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示传感器工作的中心频率（或谐振频率）为40kHz，16表示传感器的外形直径为16mm，在发射头和接收头上，我们会看到T和R字样，就是分别对应发射器和接收器。 TCT40-16T发射头一般来讲工作电压可以到100V左右； 所发射的超声波采用固定的中心频率（或谐振频率）为40kHz的波形驱动，且占空比要求为50%；两个引脚没有正负（因为是交流驱动发射），真要分个正负的话就把有接外壳的那个脚接到应用电路的地（这样输出信号是对地的）。 这种传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处灵敏度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器的接收灵敏度最高， 而在中心频率两侧则迅速衰减。