超声波传感器特性测量：发送与接收传感器之间的差异

Posted 2022-03-31 卓晴

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

 

§01 超声波传感器

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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

• Ultraino: DIY ultrasonic airborne phased-array 64 channels
• Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles
• 超声波400ST100,R100数据手册

 

§02 APPLE脚本

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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

 

※ 总  结 ※

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  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。

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■ 相关文献链接:

• 把声音转换成”激光“
• 超声波信标导航
• Ultraino: DIY ultrasonic airborne phased-array 64 channels
• Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles
• 超声波400ST100,R100数据手册
• Turning Sound Into a Laser
• NanoVNA
• Pyhsically Similar Systems - A History of the Concept

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 超声波测距以及对应的传感器
• 图1.1.2 使用网络矢量仪测试超声波探头的阻抗
• 图2.1.1 存在两者传感器：发送和接收
• 图2.1.2 发送一是接收传感器
• 图2.1.3 超声波阵列
• 图2.1.4 超声波悬浮系统
• 图2.2.1 超声波传感器内部结构
• 图2.2.2 超声波传感器内部结构
• 图2.2.3 超声波传感器建模
• 图2.2.4 压电陶瓷的振幅与频率之间的关系
• 图2.2.5 压电陶瓷的幅频特性和相频特性
• 图2.2.6 在超声波传感器中存在发射和接收两种传感器
• 图2.2.7 接收和发送传感器相位和幅度特性
• 图2.3.1 测量超声波传感器阻抗
• 图2.3.2 NanoVNA
• 图2.3.3 在面包板上测量超声波传感器
• 图2.3.4 测量得到的复阻抗
• 图2.3.5 测量得到的复阻抗
• 图2.3.6 测量接收传感器对应的复阻抗
• 图2.3.7 工作频率带宽
• 图2.4.1 超声传感器等效LCR电路
• 图A2.4.3 数学模型
• 图2.4.3 牛顿与相似系统
• 图2.4.4 数学模型
• 图2.5.1 超声波发射器，接收器
• 图2.5.2 数字万用表