精密超声波换能器电路：实现精准物体检测
您是否曾想从特定目标测量物体的距离？您可以利用超声波发射器（包含超声波传感器）实现这一目的。电子电路通常采用此组件产生超声波。因此，它可以测量物体的接近程度。这些能力使其在机器人导航中极其有用。不仅如此，这种换能器在工业、医疗、自动化等众多领域也有广泛应用！
本文介绍超声波换能器电路，帮助您了解其能力。让我们开始吧！
什么是超声波换能器？
超声波换能器
超声波换能器作为一种声相关传感器，将一种能量形式转换为超声能量。该设备向物体发射电信号，然后将其发回换能器。在此过程中，它测量物体的距离而非信号强度。它还依赖超声波测量特定参数。其超声波频率范围高于 20 kHz，使其成为测量距离的理想选择。
40kHz 超声波换能器
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总而言之，这种换能器类型可检测各种材料，包括金属、非金属、透明和有色物体。它还能识别液体、固体和细小物质。
超声波传感器内部结构
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该设备包含背衬、耐磨板和有源元件。在此，晶体或压电元件作为有源元件，将电能转换为超声能量。结果，设备接收超声能量并将其转换为电能。当然，它也能反向转换。
此外，换能器包含接收器、发射器、电源和控制机构。同时，发射器拥有 15mm 陶瓷振子。这些传感器的功能类似于超声波扬声器和麦克风，产生和接收高频声波。
由于压电材料的高居里点，该换能器在诊断用途时以低温运行，功耗极低。它也可长时间运行而不影响电路。而医用换能器在高温下工作，通常依靠冷却设备防止损坏。
超声波换能器工作原理
超声波探头可检测钢板中的缺陷
向超声波换能器施加电信号会使其产生声波。声波在检测到干扰后将回波信号反射回换能器。它也在特定频率范围内振动。结果，回波被转换为电信号。
之后，设备测量发送声波和接收回波所需的时间。当传感器以 40 kHz 频率工作时，超声脉冲将释放到空气中。
荧光灯不影响换能器检测物体的能力
总体而言，黑色材料、烟雾、阳光、荧光管和灰尘均不影响换能器性能。因此，它比红外传感器具有明显优势。此外，超声波传感器提供优异的噪声抑制能力。然而，高温波动会导致物体检测干扰。
该设备还依靠超声波通过以下公式计算距离：
D = ½ × T × C
其中，D 代表距离，T 为发射和接收超声波的时间间隔，C 代表声速。
超声波换能器电路
超声波发射电路图
所需组件：
- 555 IC – 1 个
- 2N2222 晶体管 – 1 个
- 超声波换能器 – 1 个
- 1k 电阻 – 2 个
- 2k 电阻 – 1 个
- 5k 电阻 – 1 个
- 0.01µF 电容 – 1 个
- 3.3nF 电容 – 1 个
工作原理：
许多超声波发射电路采用 555 IC 定时器
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通常，以无稳态多谐振荡器模式工作的 IC 555 作为振荡器。它生成持续的方波脉冲序列，频率达到 40 kHz。同时，公式 F = 1.44 / ((R2 + 2R1) C2) 设定输出频率值。此时，R1、R2 和 R3 电子元件向输出提供 40 kHz。
它还包含一个超声波换能器，将输入脉冲转换为匹配频率的超声波。这些换能器含有压电晶体，接收电压后会改变尺寸。晶体在接收输入信号后振荡，迫使其产生高频声波。
同时，2N2222 晶体管驱动换能器。您可以用晶体振荡器替代 555 以实现更稳定的振荡。
超声波换能器类型
市场上存在多种超声波换能器类型。它们包含频率、占地面积和压电晶体排列等关键参数。以下是最高效的类型：
- 线性型：此换能器类型采用线性排列的压电晶体。
- 相控阵：占地面积减小，支持 2MHz 至 7MHz 的低频范围。
- 标准型：也称为凸面超声波换能器或普通超声波换能器，此类型包含弯曲的压电晶体。您将在广泛的测试应用中看到它们。
此外，您还可以使用延迟线换能器、接触式换能器、双元件换能器、浸入式换能器和角度束换能器。当然，这些不同类型具有无损检测应用。
应用
超声波探头包含超声波换能器
超声波换能器在广泛领域有各种应用。我们列举几个：
- 医疗领域的诊断测试、癌症治疗、心脏和眼部检查、内脏器官检测
- 物体检测
- 测量目标与物体之间的距离
此图展示超声波传感器如何检测物体及其距离
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- 自动化
- 库存控制
- 识别微小故障
超声波换能器可检测微小故障
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- 液位和流量测量
- 生物医学
- 电力
- 液位控制与监测
- 产品线管理
- 断线检测
优缺点
优点：
超声波换能器可检测固体、液体或气体。我们列出了超声波换能器的优点：
- 能检测所有物质类型并测量各种材料。
- 温度、灰尘和水不影响性能。
- 在合适条件下可在任何环境中运行。
- 常用于提供高感应间隔测量。
以下列出与超声波换能器相关的缺点：
缺点：
高温波动会影响换能器
- 由于温度转换的不可预测性，检测会发生变化。
- 对高温波动极其敏感。
- 因目标柔软薄小，无法检测小目标的反射。
总结
结构精良且极其有用的超声波换能器让导航机器人的避障变得更容易。它在其他应用中也呈现多种用途。在这种情况下，这确立了其在物体检测和距离测量中的角色。总体而言，各种环境因素不会对其整体性能产生负面影响。因此，灰尘、阳光和水不会阻止超声脉冲到达目的地并返回。所以该组件可持续运行任意时间。
您对超声波换能器有任何疑问？欢迎联系我们！
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