小型非接触超声波位移传感器初步研制方案

发布时间：2013-10-10 发布人：泽天公司点击：

小型非接触超声波位移传感器设计原理

当电压作用于压电陶瓷时，随电压和频率的变化就会产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向振动器施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。用来发送和接收超声波。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，知道时间和温度后，距离就计算出来了。

小型非接触超声波位移传感器的换能器设计

超声波换能器是超声波位移传感器的核心部件，采用压电陶瓷和金属片构成振动器。换能器由陶瓷盒体、金属片、隔音材料、引线端子、底座构成，见图1。陶瓷材料为锆钛酸铅，它的温度和时间稳定性好。通过烧渗法在陶瓷盒体底部制作银金属电极，然后将圆铜片焊接在技术电极上。如图，在铜片和陶瓷上引出导线就构成了振动器。

图1 超声波换能器结构

在底座和焊接铜片的内腔之间填充了隔音材料，此隔音材料的主要目的是消除外界对内腔的振动干扰，提高超声波传感器的测量精度。

小型非接触超声波位移传感器的电路设计

电路设计的好坏直接影响超声波传感器的精度。电路由电源变换、控制电路，串行数字温度传感器、控制器、超声波发送和接收电路、D/A转换电路、V/I转换电路构成。

控制电路由PIC单片机实现，此单片机具有很低的功耗，带16个通用I/O口，具备Watchdog Timer，2个16bit的定时/计数器，指令单周期为200ns，有利于电源电路的设计。它控制着超声波的发送和接收，由定时器得到发送和接收之间的时间间隔，同时获取温度传感器的温度数据，按公式（1）计算出探头和障碍物之间的距离，此距离是数字量，数字量通过并行端口发给D/A转换电路，转换电路输出0~5V的模拟电压信号，V/I转换电路将0~5V的标准电压信号转换为4~20mA输出。

超声波发送和接收电路见图2，单片机的RA3发送一个400KHz的脉冲波驱动三极管，进行功率放大的脉冲波激励超声波换能器，使换能器产生400KHz的振动，发出超声波。当超声波换能器接收到声波后将产生微弱的电信号，此电信号由运算放大器进行两级放大。然后由LM567音频解码器电路检波，当接收到的频率信号与本地RC构成的振荡器频率相等时输出一个接地方波。单片机通过查询RB2，当接收到低电平后认为超声波已经返回。