项目14超声波遥控电灯开关的设计与调试（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

项目14超声波遥控电灯开关的设计与调试 项目14超声波遥控电灯开关的设计与调试 项目描述 本项目要求设计与调试一个用超声波遥控的电灯开关。 超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用。 知识和能力目标； 掌握超声波的概念和基本特性。 了解超声波探头产生、接收超声波原理。 掌握超声波探头结构及使用方法，了解超声波探头耦合剂的作用。 熟练应用超声波探头对相应物理量进行检测。 知识准备 一、认识超声波及其物理性质 1．超声波的概念和波形 机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz~20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz~8kHz。声波频率的界限划分如图14-1所示。 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，超声波的传播波型也不同，通常有以下三种类型： （1）纵波—质点振动方向与波的传播方向一致的波； （2）横波—质点振动方向垂直于传播方向的波； （3）表面波—质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波 2．声速、波长与指向性 （1）声速 （2）波长 超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，即 λ f =c （3）指向性 3．超声波的反射和折射 （1）反射定律 入射角 的正弦与反射角'的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角 等于反射角'。 （2）折射定律 入射角 的正弦与折射角的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的波速c2之比，即 sin / sin = c1 / c2 4. 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律如下。 Px = P0 e -x （9-5） Ix = I0 e -2x （9-6） 式中，Px 、Ix——距声源x处超声波的声压和声强； P0 、I0——x = 0处超声波的声压和声强； ——衰减系数； x——声波与声源间的距离。 二、超声波探头及耦合技术 （一）超声波探头工作原理 超声波探头的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等方式。在检测技术中主要采用压电式。超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。而利用压电效应则将接收的超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。 1．超声波发生器原理 电致伸缩效应：在压电材料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14-4所示。外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。——共振压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。 图14-4 超声波发生器原理 图14-5超声波接收器原理 2．超声波接收器原理 压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的，如图14-5所示。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。 （二）超声波探头 由于其结构不同，超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等，如图14-6所示。 1．单晶直探头 2．双晶直探头 3．斜探头 4．聚焦探头 6．空气传导型探头 5．箔式探头 （三） 超声波探头耦合剂 无论是直探头还是斜探头，一般不能直接将其放在被测介质（特别是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损。更重要的是，由于超声探头与被测物体接触时，在工件表面不平整的情况下，探头与被测物体表面间必然存在一层空气薄层。空气的密度很小，将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。 项目实施 三、超声波遥控电灯开关的设计与调试 1. 实训技术参数 谐振频率：40KHZ±1KHZ（UCM—T40K1发射用），38KHZ±1KHZ（UCM—R40K1接收用） 频 带 宽：2KHZ±0