超声测距换能器及收发电路的研究

　　近年来,随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要,特别是工业机器人的自动测距、导航系统和视觉识别系统的需要,出现了许多识别方法和原理.根据其信息载体的不同可归纳为光学方法和超声波方法.但光学方法在某些领域有其局限性,相比之下,超声波方法在这些方面具有突出的优点:

　　(1)超声波对色彩、光照度不敏感,可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体);

　　(2)对外界光线和电磁场不敏感,可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;

　　(3)超声波传感器结构简单,体积小,费用低,信息处理简单可靠,易于小型化和集成化.因此超声波法作为非接触检测和识别手段,已越来越引起人们的重视[1].

　　1　超声测距换能器

　　1.1　换能器的工作机理

　　本文所研究的超声测距换能器实际上是一种极近距离内的雷达,其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应.利用逆压电效应产生超声波,即逆压电效应是在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号,材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的机械形变.这种机械形变推动周围介质振动,产生疏密相间的机械波,如果其振动频率在超声范围,这种机械波就叫超声波.发射出去的超声波遇到探测物返回作用到换能器上,接受时,利用正压电效应把来自探测物的声信号转变为电信号的输出.

　　1.2　超声传感器结构

　　超声波发生器是一个超声频电子振荡器,当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电陶瓷上时,压电陶瓷组件就在电场作用下产生纵振动.压电组件在超声振荡时,仿佛是一个小活塞,其振幅很小,约为(1～10.2)Lm,但这种振动加速度很大,约(10～10³)gn,于是把电磁振荡能量转化为振动能量,这种巨大的超声波能量,沿着特定方向传播出来.其关键技术是使超声波波束变细,除待测物外不受其它构造物的影响.

　　超声换能器是产生超声波必需的能量转换装置,它把超声电磁振荡的能量转换为声波.如图1所示.是一个超声换能器,具有重量轻、体积小、能量大的特点[2].

　　相邻两片的压电陶瓷片极化方向相反,芯片的数目成偶数,以使前后金属盖板或壳体与同一极性的电极相连,否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈,会导致结构不必要的增大.两芯片之间,芯片与金属盖板之间通常夹以薄黄铜片(厚度小于0.1mm),作为焊接电极引线用;芯片,电极铜片用强力胶(例如环氧树脂)胶合.在压电组件的中央部分用结合轴与圆锥状谐振子连成一体,圆锥状谐振子的边缘部分装有圆环状弹性橡胶减振器,使之与外壳固定,起声阻匹配作用.在电-声变换部分的前面的超声波束整形板,是对应圆锥状谐振子的振动模式设置的几个开口.使超声波波束指向尖锐.吸声片吸收多余反射声波.