超声波探测是海豚和蝙蝠等动物使用的基本回声定位原理的复杂版本（图1）。
在工作时，由换能器（通常是压电器件）产生短暂的声能脉冲。脉冲结束后，系统切换到接收模式，等待该脉冲的反射（回声）。当传输的声能遇到阻抗转变或不连续时，如空气和固体物体之间，其中一些能量会被反射并可以探测到，通常是借助压电器件。
声阻抗基于给定材料的密度和声速，确定两种不同声阻抗的材料边界处发生的反射量很重要。
反射的能量比例是材料类型及其吸收系数的函数，也是材料之间边界处阻抗差的函数。石头、砖块或金属等硬质材料比织物或靠垫等软质材料的反射率高。
空气的声阻抗比大多数液体或固体的声阻抗小4个数量级。因此，基于反射系数的巨大差异，大部分超声波能量会被反射到换能器。声学截面积是类似于雷达截面积的指标，由目标物体的材料和大小决定。
还有一个很大的区别：超声波感应/探测只能在空气、其他气体或液体等传播介质中使用。声能在各种介质中的衰减和传播特性与射频和光能相反。声能在液体中传播良好，而射频能量则不然。光能在大多数液体中的衰减也很高。此外，与声能不同，射频和光能在真空中的衰减较低。
请注意，空气中的声速随温度和湿度的变化而略有不同。因此，超精准距离感测应用要求必须知道这些因素中的一个或两个，并在基本方程中加入一个校正系数。
超声波能量在空气介质中传播时，其散射和吸收的速度随频率增加。在其他因素保持不变的情况下，这将导致最大可探测距离减小。40kHz的频率是考虑效率、衰减、分辨率和物理尺寸等因素的折衷选择，所有这些因素都与波长有关。
要开始选择过程，了解超声波感测所用换能器的几个顶级参数很有帮助。其中包括：
决定换能器选择的因素之一是被感测物体的相对位置和方向。如果物体在超声源的正前方，并且全部或部分与入射能量成直角，则部分入射能量将直接反射回超声源。
在这种情况下，使用单个换能器来实现发射和接收功能（称为单静态布置）既能简化物理设置，又能最大限度地减少空间需求和换能器成本（图2）。
PUIAudio的[UTR-1440K-TT-R]（图3）是一款40kHz的超声波收发器，可以选择用于这种配置。其直径仅为14.4mm，高度为9mm。该收发器设计在140副总裁-p交流驱动电压下工作，并向驱动器提供1800pF的额定负载。其回声灵敏度高于200mV，指向性为70°±15°。
在某些情况下，超声源和接收器换能器是独立器件，但彼此相邻，即并列排布（图4）。
除了基本的物体检测外，超声波换能器还可用于液体和气体流速的非侵入性、无接触式测量。对于这类应用，换能器的工作频率更高，通常高于200kHz，以提供所需的测量分辨率。
要使用时差法流量计有效地测量粘性液体，最小流量下的雷诺数必须小于4000（层流）或大于10000（湍流），但两者之间的过渡区必须明显非线性。这种流量计用于在石油行业中测量原油流量，也广泛用于测量温度低至-300°C的低温液体，以及熔融金属的流量计量——这是两种极端温度。
PUI提供专为时差法流体流量应用而设计的超声波换能器。[UTR-18225K-TT]的工作频率为225±15kHz，并且具有该应用所需的窄波束角，仅为±15°。这款发射/接收换能器的直径为18mm，高度为9mm，电容为2200pF。其可以由12V~p~-p的方波串驱动，在低占空比的情况下驱动最高可达100Vp-p。
PGA460提供的时变增益是超声波换能器经常使用的功能，无论是用于基本的物体检测还是先进的医疗成像系统。该器件有助于克服声学信号能量在介质中传播时不可避免但事先已知的衰减因素。
为了进一步探索这些换能器的使用，TexasInstruments提供了[PGA460PSM-EVM]评估模块，可与PUIAudio的UTR-1440K-TT-R40kHz超声波收发器搭配工作（图8）。
该模块只需要几个外部元器件和一个电源即可运行（图9）。其从一个基于PC的图形用户界面(GUI)接收控制命令，并将数据返回该界面进行显示和进一步分析。除了基本功能和操作参数的设置外，该模块还允许用户显示超声波回波曲线和测量结果。
压电式超声波换能器提供了一种方便有效的方式来感测附近的物体，甚至测量其距离。这种换能器可靠且易于应用，并可帮助设计人员避免射频频谱或EMI/RFI监管问题。它们还可用于无接触式流体流速测量。接口IC可用于其发射和接收功能，在评估套件的支持下，易于集成至系统，同时在设置其工作参数方面提供灵活性。
浏览量
下载发烧友APP
电子发烧友观察
长沙市望城经济技术开发区航空路6号手机智能终端产业园2号厂房3层（0731-88081133）