小型非接觸超聲波位移傳感器設(shè)計(jì)原理

當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，隨電壓和頻率的變化就會產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器施加一個(gè)電信號時(shí)，就會因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向振動(dòng)器施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)電信號。基于以上作用，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。用來發(fā)送和接收超聲波。

超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，知道時(shí)間和溫度后，距離就計(jì)算出來了。

小型非接觸超聲波位移傳感器的換能器設(shè)計(jì)

超聲波換能器是超聲波位移傳感器的核心部件，采用壓電陶瓷和金屬片構(gòu)成振動(dòng)器。換能器由陶瓷盒體、金屬片、隔音材料、引線端子、底座構(gòu)成，見圖1。陶瓷材料為鋯鈦酸鉛，它的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性好。通過燒滲法在陶瓷盒體底部制作銀金屬電極，然后將圓銅片焊接在技術(shù)電極上。如圖，在銅片和陶瓷上引出導(dǎo)線就構(gòu)成了振動(dòng)器。

圖1 超聲波換能器結(jié)構(gòu)

在底座和焊接銅片的內(nèi)腔之間填充了隔音材料，此隔音材料的主要目的是消除外界對內(nèi)腔的振動(dòng)干擾，提高超聲波傳感器的測量精度。

小型非接觸超聲波位移傳感器的電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波傳感器的精度。電路由電源變換、控制電路，串行數(shù)字溫度傳感器、控制器、超聲波發(fā)送和接收電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。

控制電路由PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，此單片機(jī)具有很低的功耗，帶16個(gè)通用I/O口，具備Watchdog Timer，2個(gè)16bit的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，指令單周期為200ns，有利于電源電路的設(shè)計(jì)。它控制著超聲波的發(fā)送和接收，由定時(shí)器得到發(fā)送和接收之間的時(shí)間間隔，同時(shí)獲取溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，按公式（1）計(jì)算出探頭和障礙物之間的距離，此距離是數(shù)字量，數(shù)字量通過并行端口發(fā)給D/A轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換電路輸出0~5V的模擬電壓信號，V/I轉(zhuǎn)換電路將0~5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號轉(zhuǎn)換為4~20mA輸出。

超聲波發(fā)送和接收電路見圖2，單片機(jī)的RA3發(fā)送一個(gè)400KHz的脈沖波驅(qū)動(dòng)三極管，進(jìn)行功率放大的脈沖波激勵(lì)超聲波換能器，使換能器產(chǎn)生400KHz的振動(dòng)，發(fā)出超聲波。當(dāng)超聲波換能器接收到聲波后將產(chǎn)生微弱的電信號，此電信號由運(yùn)算放大器進(jìn)行兩級放大。然后由LM567音頻解碼器電路檢波，當(dāng)接收到的頻率信號與本地RC構(gòu)成的振蕩器頻率相等時(shí)輸出一個(gè)接地方波。單片機(jī)通過查詢RB2，當(dāng)接收到低電平后認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。

圖2 超聲波發(fā)送和接收電路，本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請保留出處。