超声波式传感器.ppt
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1、4:16AM14.6 4.6 超声波式传感器超声波式传感器 机机机机器器器器鱼鱼鱼鱼自自自自动动动动避避避避障障障障模模模模块块块块设计设计设计设计对对于于自自动动避避障障,本本项项目目通通过过一一个个超超声声波波传传感感器器来来实实现现。超超声声波波传传感感器器的的原原理理是是:超超声声波波由由压压电电陶陶瓷瓷超超声声传传感感器器(收收发发一一体体化化TRTR)发发出出后后,遇遇到到障障碍碍物物便便反反射射回回来来,再再被被超超声声波波传传感感器器接接收收,然然后后将将这这一一接接收收信信号号放大后送入单片机。放大后送入单片机。4:16AM24.6.1 超声波及其物理性质超声波及其物理性质
2、波动(简称波):波动(简称波):波动(简称波):波动(简称波):振动在弹性介质内的传播振动在弹性介质内的传播声波声波声波声波:其频率在:其频率在162104 Hz之间,能为人耳所闻的机械波之间,能为人耳所闻的机械波次声波次声波次声波次声波:低于:低于16 Hz的机械波的机械波超声波超声波超声波超声波:高于:高于2104 Hz的机械波的机械波微波微波微波微波:频率在:频率在310831011 Hz之间的波之间的波4:16AM3图:声波的频率界限图4:16AM4 次次声声波波是是频频率率低低于于20赫赫兹兹的的声声波波,人人耳耳听听不不到到,但但可可与与人人体体器器官官发发生生共共振振,78Hz的
3、的次次声声波波会会引引起起人人的的恐恐怖怖感感,动动作作不不协协调调,甚甚至至导导致致心心脏脏停停止止跳跳动动。产产生生次次声声波波的的声声源源是是相相当当广广泛泛的的,现现在在人人们们已已经经知知道道的的次次声声源源有有:火火山山爆爆发发、坠坠入入大大气气层层中中的的流流星星、极极光光、地地震震、海海啸啸、台台风风、雷雷暴暴、龙龙卷卷风风、电电离离层层扰扰动动,等等等等。利利用用人人工工的的方方法法也也能能产产生生次次声声波波,例例如如核核爆爆炸炸、火火箭箭发发射射、化学爆炸,等等。、化学爆炸,等等。大面积瞬间杀人于无形的次声波武器大面积瞬间杀人于无形的次声波武器1.次声波4:16AM519
4、80年,一艘名叫年,一艘名叫“马尔波罗马尔波罗”的帆船在由新西兰驶往的帆船在由新西兰驶往英国的途中突然神秘地失踪;英国的途中突然神秘地失踪;20年后,却在火地岛附近年后,却在火地岛附近被人发现。船上的一切都原封不动、完好如初。就连已被人发现。船上的一切都原封不动、完好如初。就连已死多年的船员也都各就各位,保持着工作状态。科学家死多年的船员也都各就各位,保持着工作状态。科学家对他们的神秘死亡引起了极大的关注,经过长期研究,对他们的神秘死亡引起了极大的关注,经过长期研究,终于发现,原来他们正是死于海上风暴产生的次声。终于发现,原来他们正是死于海上风暴产生的次声。n次声波的危害次声波的危害4:16A
5、M61992年年11月月24日,桂林上空发生了一起空难,日,桂林上空发生了一起空难,141人死亡。人死亡。当事件的原因经多方解释而未肯定之时,中国声学研究所当事件的原因经多方解释而未肯定之时,中国声学研究所的专家,提出了存在着因的专家,提出了存在着因“次声波次声波”的作用而致使飞机坠的作用而致使飞机坠毁的可能性。桂林属半丘陵地带,气团依山势走向而上下毁的可能性。桂林属半丘陵地带,气团依山势走向而上下浮动,引起气流震动,会产生一种浮动,引起气流震动,会产生一种“山背波山背波”的次声波,的次声波,当飞机遇到这种危害极大的由次声波引起的晴空湍流时,当飞机遇到这种危害极大的由次声波引起的晴空湍流时,如
6、同落入一个风旋涡中,在挤压力、冲力等多种强劲外力如同落入一个风旋涡中,在挤压力、冲力等多种强劲外力的作用下,将造成飞机失控、产生机毁人亡的恶果。还有的作用下,将造成飞机失控、产生机毁人亡的恶果。还有研究结果表明,次声波对飞机的影响还有一种研究结果表明,次声波对飞机的影响还有一种“生物效应生物效应”。该理论认为,当次声波的频率接近人体频率时,就有。该理论认为,当次声波的频率接近人体频率时,就有可能产生可能产生“共振共振”,飞机驾驶员无法承受这种强烈的效应,飞机驾驶员无法承受这种强烈的效应,就有致命的危险。也就是说,此次空难的凶手很可能就是就有致命的危险。也就是说,此次空难的凶手很可能就是这种次声
7、波。这种次声波。4:16AM7次声波武器次声波武器按照感官刺激分类,目前研制出来的次按照感官刺激分类,目前研制出来的次声武器可分为两种。一种是神经型次声武器,声武器可分为两种。一种是神经型次声武器,它通过发射频率与人脑的它通过发射频率与人脑的“阿尔法节律阿尔法节律”相相近(约近(约5Hz)的次声波,刺激人的神经,使人)的次声波,刺激人的神经,使人晕眩头痛、精神错乱。另一种是器官型次声晕眩头痛、精神错乱。另一种是器官型次声武器,通过发射频率与人体内脏固有频率相武器,通过发射频率与人体内脏固有频率相当(当(48Hz)的次声波,使人出现恶心呕吐、)的次声波,使人出现恶心呕吐、胃痛、呼吸困难等症状。胃
8、痛、呼吸困难等症状。相对于传统概念的武器,次声波武器具相对于传统概念的武器,次声波武器具有隐蔽性强、传播速度快、传播距离远、穿有隐蔽性强、传播速度快、传播距离远、穿透力强、不污染环境和破坏设施等特点,从透力强、不污染环境和破坏设施等特点,从而被列为新概念武器家族的重要成员,势必而被列为新概念武器家族的重要成员,势必成为未来战场上的武器新宠。成为未来战场上的武器新宠。4:16AM8早在上世纪早在上世纪60年代,发达国家就年代,发达国家就竞相研究次声波武器。竞相研究次声波武器。1972年法国国年法国国家实验中心制成一台强次声发生器,家实验中心制成一台强次声发生器,首次试验就使首次试验就使5公里以内
9、的人员受到公里以内的人员受到伤害。上世纪伤害。上世纪80年代法国科学家加弗年代法国科学家加弗罗制出了一种罗制出了一种“大哨笛大哨笛”次声发生器,次声发生器,声压级为声压级为160dB,能对人体器官产生,能对人体器官产生损伤,当时法国报纸称它为损伤,当时法国报纸称它为“次声枪次声枪”。1979年苏联秘密进行次声炸弹试年苏联秘密进行次声炸弹试验,由于当时对其威力估计不足,又验,由于当时对其威力估计不足,又缺乏良好防护,造成数名现场人员死缺乏良好防护,造成数名现场人员死亡。亡。法国科学家加夫雷奥 声波武器鼻祖 4:16AM9美国更是不甘落后。美国陆军武器研究室研制出一种可美国更是不甘落后。美国陆军武
10、器研究室研制出一种可延伸至延伸至17米长的喇叭型声炮,发射功率达米长的喇叭型声炮,发射功率达20kW(千瓦)。(千瓦)。上世纪上世纪70年代,美警方开发了使人年代,美警方开发了使人“僵化僵化”或失去战斗或失去战斗力的次声武器,来控制骚乱。据称美国干涉波黑内战时,力的次声武器,来控制骚乱。据称美国干涉波黑内战时,曾秘密用过这些非致命次声武器,仅几秒钟就使塞军阵曾秘密用过这些非致命次声武器,仅几秒钟就使塞军阵地陷入一片混乱,有人昏倒,有人呕吐不止。地陷入一片混乱,有人昏倒,有人呕吐不止。远程声波设备目前已经广泛用于反暴乱和反恐行动,图为装备LRAD的美军“斯特赖克”装甲车 4:16AM10n次声波
11、的应用次声波的应用(1)(1)通通过过研研究究自自然然现现象象所所产产生生的的次次声声波波的的特特性性和和产产生生的的机机理理,更更深深入入地地研研究究和和认认识识这这些些自自然然现现象象的的特特征征与与规规律律。例例如如,利利用用极极光光所所产产生生的的次次声声波波,可可以研究极光活动的规律。以研究极光活动的规律。(2)(2)利用所接收到的被测声源产生的次声波,可以利用所接收到的被测声源产生的次声波,可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如,探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如,通通过过接接收收核核爆爆炸炸、火火箭箭发发射射或或者者台台风风产产生生的的次次声声波波,来来探探测测出出这
12、这些些次次声声源源的的有有关关参参量。量。4:16AM11(3)次声波在大气层中传播时,很容易受到大气介质的影响,它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。因此,可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性,探测出某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。(4)人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应,而且他(或它)们的某些器官也会发出微弱的次声波。因此,可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。4:16AM122.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶
13、醉。4:16AM133.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠能发出和听见超声波。4:16AM14蝙蝠依靠超声波捕食4:16AM15 超声波与可闻声波不同,它可以超声波与可闻声波不同,它可以超声波与可闻声波不同,它可以超声波与可闻声波不同,它可以被聚焦,具有能量集中的特点。被聚焦,具有能量集中的特点。被聚焦,具有能量集中的特点。被聚焦,具有能量集中的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器超声波加湿器超声波加湿器4:16AM16压电陶瓷或磁致伸缩材料压电陶瓷或磁致伸缩材料压电陶瓷或磁致伸缩材料压电陶瓷或磁致伸缩材
14、料在高电压窄脉冲作用下,在高电压窄脉冲作用下,在高电压窄脉冲作用下,在高电压窄脉冲作用下,可得到较大功率的超声波,可得到较大功率的超声波,可得到较大功率的超声波,可得到较大功率的超声波,可以被聚焦,能用于集成可以被聚焦,能用于集成可以被聚焦,能用于集成可以被聚焦,能用于集成电路及塑料的焊接。电路及塑料的焊接。电路及塑料的焊接。电路及塑料的焊接。超声波塑料焊接机超声波塑料焊接机超声波塑料焊接机超声波塑料焊接机4:16AM17超声波被聚焦后,具有较好的方向性,在遇到两种介质超声波被聚焦后,具有较好的方向性,在遇到两种介质超声波被聚焦后,具有较好的方向性,在遇到两种介质超声波被聚焦后,具有较好的方向
15、性,在遇到两种介质的分界面时,能产生明显的反射和折射现象,这一现象的分界面时,能产生明显的反射和折射现象,这一现象的分界面时,能产生明显的反射和折射现象,这一现象的分界面时,能产生明显的反射和折射现象,这一现象类似于光波。类似于光波。类似于光波。类似于光波。便携式超声波探鱼器便携式超声波探鱼器4:16AM18鱼群探测器鱼群探测器把这种探测器放在海里,它就会向水底发射声波,如果有鱼群通过,鱼群吐出的大量水泡会使声波反射回来,并通过压电陶瓷接收声波,变成电讯号,人们就可以从仪器上知道鱼群的位置。用同样的方法,也可以探测到海底暗礁,侦察在海洋里活动的敌人的潜水艇。4:16AM19美国蜂鸟595C系列
16、鱼群探测器(鱼群探测器(GPS卫星定位彩屏3¥7580 )4:16AM20超声波在医学检查中的应用超声波在医学检查中的应用超声波在医学检查中的应用超声波在医学检查中的应用 胎儿胎儿胎儿胎儿B B B B超超超超影像影像影像影像4:16AM21超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时,会对液体产生一定的负压,即液体体积增加,当弱的声波信号作用于液体中时,会对液体产生一定的负压,即液体体积增加,液体中分子空隙加大,形成许多微小的气泡;而当强的声波信号作用于液体时,液体中分子空隙加大,形成许多微小的气泡;而当强的声波信号作用于液体时,则会
17、对液体产生一定的正压,即液体体积被压缩减小,液体中形成的微小气泡被则会对液体产生一定的正压,即液体体积被压缩减小,液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明:超声波作用于液体中时,液体中每个气泡的破裂会产生能量压碎。经研究证明:超声波作用于液体中时,液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波,相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力,这种极大的冲击波,相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力,这种现象被称之为现象被称之为“空化作用空化作用空化作用空化作用”,超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击,超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的
18、作用。波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声波清洗应用范围非常广泛,主要超声波清洗应用范围非常广泛,主要应用于机械、电子、光学、医药、电镀、涂装及真空镀膜前处理等行业。特别适应用于机械、电子、光学、医药、电镀、涂装及真空镀膜前处理等行业。特别适用于表面形状复杂的零件,如对精密工件上的狭缝、凹槽、深孔、肓孔的清洗,用于表面形状复杂的零件,如对精密工件上的狭缝、凹槽、深孔、肓孔的清洗,同时能够清洗掉零件表面油污、锈蚀及氧化皮。特别对制药行业各种玻璃制器及同时能够清洗掉零件表面油污、锈蚀及氧化皮。特别对制药行业各种玻璃制器及内外科器械的清洗效果最为理想,不仅能达到清洗的目的,还能对玻璃器皿内外内
19、外科器械的清洗效果最为理想,不仅能达到清洗的目的,还能对玻璃器皿内外壁附着的各种微生物、病菌起到粉碎作用,达到消毒灭菌的作用。壁附着的各种微生物、病菌起到粉碎作用,达到消毒灭菌的作用。4:16AM22超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物4:16AM23电子行业专用超声波清洗机电子行业专用超声波清洗机电子零件的清洗电子零件的清洗/元器件的基体清洗元器件的基体清洗/PCB板的清洗板的清洗/电子材料加工成型后的清洗电子材料加工成型后的清洗珠宝行业专用超声波清洗机珠宝行业专用超声波清洗机液晶行业专用超声
20、波清洗机液晶行业专用超声波清洗机4:16AM244.6.2 超声波物理基础超声波物理基础 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好,能量集中,因此穿透本领大,能穿透几米厚的钢板,而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面(例如钢板与空气的交界面)时,能产生明显的反射和折射现象,超声波的频率越高,其声场指向性就愈好。4:16AM25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。和气体介质中传播。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横波:质点振动方向垂直于传播方向的波,它只能在
21、固体介质中传播。播。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。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。蓝姆波:蓝姆波沿着板的两个表面及中部传播。蓝姆波:蓝姆波沿着板的两个表面及中部传播。超声波种类超声波种类4:16AM26纵波4:16AM27横波 4:16AM28表面波4:16AM29图10-2超声波的反射和折射超声波的反射和折射超声波的反射和折射4:16AM30利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器,或超利用超声波物理特性和各种效
22、应而研制的装置称为超声波换能器,或超声波探测器、超声波传感器,有时也叫超声波探头。声波探测器、超声波传感器,有时也叫超声波探头。4.6.3 超声波传感器原理超声波传感器原理超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等,在检测技术中伸缩式、电磁式等,在检测技术中压电式最为压电式最为常用常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷,这种传感器统称为压电式超声波探头。电陶瓷,这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的它是利用压电材料的压电效应压电效应来工作的来工作的,逆压电逆压电效应效应将高
23、频电振动转换成高频机械振动,从而将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而产生超声波,可作为发射探头;而正压电效应正压电效应是将超声振动波转换成电信号,可作为接收探是将超声振动波转换成电信号,可作为接收探头;由于其结构不同,分为直探头式、斜探头头;由于其结构不同,分为直探头式、斜探头式和双探头式。式和双探头式。4:16AM31压电式超声波发生器压电式超声波发生器就是就是利用利用压电晶体的电致伸缩现象压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材制成的。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片上施加交变电压,使它料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料
24、切片上施加交变电压,使它产生电致伸缩振动,而产生超声波,如图所示。产生电致伸缩振动,而产生超声波,如图所示。1.超声波的发生超声波的发生 式中,式中,n=1n=1,2 2,3 3,是谐波的级数;是谐波的级数;c c为波在压电材为波在压电材料里的传播速度料里的传播速度(纵波纵波);式中,式中,E E为杨氏模量;为杨氏模量;为压电材料的密度。为压电材料的密度。压电材料的固有频率与晶体片厚度压电材料的固有频率与晶体片厚度d d有关,即有关,即因此,压电材料的固有频率为因此,压电材料的固有频率为根据共振原理,当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时,产生共振,这时根据共振原理,当外加交变电压频率等于晶片
25、的固有频率时,产生共振,这时产生的超声波最强。产生的超声波最强。压电式超声波发生器可以产生几十压电式超声波发生器可以产生几十kHzkHz到几十到几十MHzMHz的高频超的高频超声波,产生的声强可达几十声波,产生的声强可达几十W Wcm2cm2。4:16AM32磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩效应的大小,即伸长缩短的程度,不同的铁磁物质其情况不相同。镍磁致伸缩效应的大小,即伸长缩短的程度,不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大,它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场,的磁致伸缩效应最大,它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场,再加以交流电时,它可工作
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