超声波传感器特性测量:发送与接收传感器之间的差异

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了超声波传感器特性测量:发送与接收传感器之间的差异相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

简 介: 本文针对超声波传感器的测量方法,探讨了使用NanoVNA测量过程, 对比发射和接收传感器在特性方面的不同。 对于整个过程编写了APPLE脚本。

关键词 超声波传感器发送接收NanoVNA

超声波传感器 目 录
Contents
测量背景 APPLE视频 APPLE脚本 A:如何测量超
声传感器特性?
P:超声波传感
器基本原理
P:使用NanoVNA
进行测量
L:系统建模
与相似系统
E:使用万用表测
量超声波传感器
总 结

 

§01 声波传感器


1.1 测量背景

  在博文 把声音转换成”激光“ 中激发了我的一个想法,制作 一个超声波直线声音发送器,用于课堂(信号与系统)实验演示,从而对:信号的调制与解调、非线性系统等概念进行说明。

▲ 图1.1.1 超声波测距以及对应的传感器

  在制作超声阵列的过程中,为了提高发射阵列的性能,希望能够对组成阵列的超声波发射传感器进行性能测试:

  • 确保它们都有相同的特性:谐振频率为40kHz;
  • 发送的效率(反过来,对应的阻抗)相同;
  • 对于发送 和接收两种传感器进行验证它们之间的差异性;

  因此需要对超声波传感器进行测试。

1.1.1 早期的工作

  在早期通过 超声波信标导航 对于普通的超声波距离传感器进行过测量。包括对于超声波内部的结构进行的拆装检查。

▲ 图1.1.2 使用网络矢量仪测试超声波探头的阻抗

1.2 APPLE视频

  APPLE视频工程文件所在目录

D:\\MooC\\Apple\\2022\\超声波发送板\\如何测了超声波传感器特性

1.2.1 ABC

(1)A:问题

  如何测量超声传感器特性?

(2)B:背景

  解决超声发射板器件特性测量。

(3)C:结论

  • 利用NanoVNA 在超声波工作频率范围内, 测量等效RLC参数, 可以反映器件的电机性能。
  • 通过测量,可以看到发送和接收传感器所工作的谐振频率不同;
  • 制作超声波发送板,需要选择串联谐振频率为40kHz 的超声波发送传感器;

1.2.2 其它相关视频

 

§02 APPLE脚本


2.1 A:如何测量超声传感器特性?

  在Youtube上看到短视频 Turning Sound Into a Laser , 作者介绍了他制作的超声波定向声音传送小装置。 其中原理涉及到声音信号的调制与解调、 非线性系统等概念

  所以我准备了一些超声波传感器, 制作一个类似的实验装置用于课堂演示。

  在手边存在着不同尺寸, 不同标示的传感器。 其中最大两类区别,就是发送与接收传感器。

▲ 图2.1.1 存在两者传感器:发送和接收

  为了确保能够在制作过程中,所获得超声波阵列板质量可靠,因此需要对于制作中的传感器进行参数测量,

▲ 图2.1.2 发送一是接收传感器

  以保证这些传感器参数相对一致,使得所形成的超声波波束更加聚集。

▲ 图2.1.3 超声波阵列

  那么如何测量得到超声波传感器呢?

▲ 图2.1.4 超声波悬浮系统

2.2 P:超声波传感器基本原理

  我们通常 使用的超声波传感器都是基于压电陶瓷特性, 完成声音与电信号的转换。

▲ 图2.2.1 超声波传感器内部结构

  这里给出了传感器的内部结构。 发射和接收传感器在结构上大体一样。

▲ 图2.2.2 超声波传感器内部结构

  根据压电陶瓷一般特性,它可以使用一个二阶动态系统来近似。 存在一个谐振频率, 由压电陶瓷的弹性系数k和质量M决定。

▲ 图2.2.3 超声波传感器建模

  在谐振频率处, 压电陶瓷会产生最大的振幅。 因此用于超声波发射的传感器, 它的驱动信号的频率应该等于传感器的谐振频率。

▲ 图2.2.4 压电陶瓷的振幅与频率之间的关系

  由于传感器中的压电陶瓷电极之间存在寄生电容, 所以系统具有两个谐振点, 一个是串联电容谐振频率, 对应传感器阻抗最低; 一个是并联谐振频率, 在同样的振幅下,对应电极谐振电压最大。

▲ 图2.2.5 压电陶瓷的幅频特性和相频特性

  在超声波传感器中存在发射和接收两种传感器。 这是400SR100,400SRT100接收和发送传感器。

▲ 图2.2.6 在超声波传感器中存在发射和接收两种传感器

  这是在它的数据手册中给出的发送和接收传感器的幅频特性 和相频特性。

截屏保存批注过程。

  上面的红色实线为接收传感器幅频特性, 【】下面蓝色实线是发送传感器的幅频特性。【】 可以看到发送传感器是工作在串联谐振频率点。 考虑到输出阻抗,【】接受传感器并没有工作在并联谐振频率上, 【】而是比串联谐振频率率高一些。

▲ 图2.2.7 接收和发送传感器相位和幅度特性

2.3 P:使用NanoVNA进行测量

  从前面介绍可以看出, 超声波传感器不是一个电阻负载, 它的阻抗是带有感抗、容抗的复阻抗。

▲ 图2.3.1 测量超声波传感器阻抗

  下面使用电路网络矢量阻抗分析仪: NanoVNA 测量超声波传感器的阻抗。

▲ 图2.3.2 NanoVNA

2.3.1 测量发射传感器

  设置NanoVNA测量中心频率为40kHz, 左右频移5kHz。

▲ 图2.3.3 在面包板上测量超声波传感器

  测量显示传感器的串联RLC数值。 下图显示了发送传感器测量结果。

截屏批注

  可以看到在40kHz处, 传感器呈现电阻特性电阻大约为300欧姆, 电感为0。

▲ 图2.3.4 测量得到的复阻抗

  这是另外一个发送传感器测量结果, 可以看到他们对应数值很接近。

▲ 图2.3.5 测量得到的复阻抗

  下面是接收传感器对应的测量结果。 可以看到在40kHz 左右, 已经接近一是传感器的并联谐振。 测试对应的电阻阻抗在4000欧姆左右。

▲ 图2.3.6 测量接收传感器对应的复阻抗

  从这说明,我们在使用超声波传感器制作发射板, 需要选择发射传感器。 在相同的驱动电压下, 传感器所获得驱动功率最大。

2.3.2 工作频率带宽

  从超声波发射传感器阻抗曲线来看, 在40kHz 左右1kHz范围内, 传感器电抗都在1k欧姆以下。 所以该传感器工作带宽大致为2kHz左右。

▲ 图2.3.7 工作频率带宽

2.4 L:系统建模与相似系统

  通过上述实验, 可以看到对于超声波中的核心换能器, 压电陶瓷, 可以将其等效成RLC电路进行分析。

▲ 图2.4.1 超声传感器等效LCR电路

参考文献: Pyhsically Similar Systems - A History of the Concept

  我们这种把遵循相同数学规律的不同物理系统称为相似物理系统, 这是我们研究实际系统常用的方法。

▲ 图A2.4.3 数学模型

  这种分析方法最早可以追溯到十七世纪, 牛顿力学系统建立的时代。

▲ 图2.4.3 牛顿与相似系统

  随着人们对于系统建模和数据分析工具不断增加, 利用系统的相似性来分析系统特性成为重要的分析方法。

▲ 图2.4.4 数学模型

2.5 E:使用万用表测量超声波传感器

  为了更好的使用超声波传感器, 需要对它等小的电气特性进行测量。 通过对比看到了超声发射器与接收器在谐振阻抗方面的差异。

▲ 图2.5.1 超声波发射器,接收器

  如果你手边有一个超声波发射器, 同时又有一个普通的数字万用表? 你是否可以使用它们粗略获得超声波发射传感器的特性呢?

▲ 图2.5.2 数字万用表

 

  结 ※


  文针对超声波传感器的测量方法,探讨了使用NanoVNA测量过程, 对比发射和接收传感器在特性方面的不同。 对于整个过程编写了APPLE脚本。


■ 相关文献链接:

● 相关图表链接:

以上是关于超声波传感器特性测量:发送与接收传感器之间的差异的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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