小型非接觸超聲波位移傳感器設計原理

當電壓作用于壓電陶瓷時，隨電壓和頻率的變化就會產生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器施加一個電信號時，就會因彎曲振動發射出超聲波。相反，當向振動器施加超聲振動時，就會產生一個電信號。基于以上作用，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。用來發送和接收超聲波。

超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發射到遇到障礙物返回所經歷的時間，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，知道時間和溫度后，距離就計算出來了。

小型非接觸超聲波位移傳感器的換能器設計

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成振動器。換能器由陶瓷盒體、金屬片、隔音材料、引線端子、底座構成，見圖1。陶瓷材料為鋯鈦酸鉛，它的溫度和時間穩定性好。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電極上。如圖，在銅片和陶瓷上引出導線就構成了振動器。

圖1 超聲波換能器結構

在底座和焊接銅片的內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腔的振動干擾，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計

電路設計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，串行數字溫度傳感器、控制器、超聲波發送和接收電路、D/A轉換電路、V/I轉換電路構成。

控制電路由PIC單片機實現，此單片機具有很低的功耗，帶16個通用I/O口，具備Watchdog Timer，2個16bit的定時/計數器，指令單周期為200ns，有利于電源電路的設計。它控制著超聲波的發送和接收，由定時器得到發送和接收之間的時間間隔，同時獲取溫度傳感器的溫度數據，按公式（1）計算出探頭和障礙物之間的距離，此距離是數字量，數字量通過并行端口發給D/A轉換電路，轉換電路輸出0~5V的模擬電壓信號，V/I轉換電路將0~5V的標準電壓信號轉換為4~20mA輸出。

超聲波發送和接收電路見圖2，單片機的RA3發送一個400KHz的脈沖波驅動三極管，進行功率放大的脈沖波激勵超聲波換能器，使換能器產生400KHz的振動，發出超聲波。當超聲波換能器接收到聲波后將產生微弱的電信號，此電信號由運算放大器進行兩級放大。然后由LM567音頻解碼器電路檢波，當接收到的頻率信號與本地RC構成的振蕩器頻率相等時輸出一個接地方波。單片機通過查詢RB2，當接收到低電平后認為超聲波已經返回。

圖2 超聲波發送和接收電路，本文源自澤天傳感，版權所有，轉載請保留出處。