超声接收换能器
超声换能器驱动电路及其回波接收电路设计分析
Science and Technology & Innovation ┃科技与创新·79·文章编号：2095－6835（2015）22－0079－02超声换能器驱动电路及其回波接收电路设计分析李 享（佛山市顺德区美的厨房电器制造有限公司，广东 佛山 528000）摘 要：随着汽车工业的不断发展，超声测距技术得到了广泛运用。
超声换能器作为该技术的关键组成部件，可实现电能转化，并决定了超声测距系统能完成的最终指标。
通过分析超声换能器的工作原理，对其驱动电路和回波接收电路的设计进行了深入探讨。
关键词：超声换能器；驱动电路；回波接收电路；超声测距系统中图分类号：TB552 文献标识码：A DOI ：10.15913/ki.kjycx.2015.22.079随着科学技术的不断进步，超声测距系统在我国各行业得到了广泛应用，比如在测井工程、机器人定位和车辆导航等方面得到了普遍运用。
由于超声测距系统可进行非接触测量，且不受烟雾、光线和磁场等的影响，可准确、便捷地实现距离测量，因此，人们对该系统的重视程度越来越高。
驱动电路和回波接收电路作为超声换能器的核心部分，其性能对整个超声测距工作有着至关重要的影响。
因此，对驱动电路和回波接收电路的设计方法进行研究有着重要意义。
1 超声换能器的测距原理超声测距系统充分运用了超声波的特点，通过电能转化的形式向外发送和接收超声波，从而实现回声探测。
所谓“超声波”，是指谐振频率较高的声波，科学上定义达到20 kHz 或超过此范围的声波为超声波。
因其频率较高，且以直线的形式传播，所以，可利用这些特性实现超声换能器的换能。
图1 超声测距原理示意图利用超声换能器能将电能转换为机械能。
由于受到电脉冲的作用，超声波会沿着介质方向运动，当声波遇到目标后，因自身的反射作用形成回波，回波返回至换能器，由换能器的接收部件接收并转换成电能，如图1所示。
如果已知介质声速为c ，由超声波发出到接收第一个回波的时间为t ，则换能器与目标之间的距离s =ct /2.为了节省成本，超声换能器采用的超声波探头的实际距离d =s .2 超声换能器的驱动电路设计 2.1超声换能器驱动电路的原理图2 超声换能器驱动电路图2为超声换能器驱动电路原理示意图，TR 右侧为超声换能器的等效电路，左侧为激励信号的功率放大电路。
超声换能器参数
超声换能器参数超声换能器参数是衡量超声波传感器性能的重要指标，它们影响超声波在不同工业场景下的检测效果。
以下是超声换能器的主要参数：1. 频率：频率是指超声波换能器在一定时间内发射的电磁脉冲次数，以赫兹（Hz）为单位。
频率越高，声速换算值越大，测量精度越高，但响应时间越短，测量距离越短。
2. 相位：相位关系是指被测物反射回的信号与超声传感器发射的信号在某一时刻的相位位置偏离程度，单位为度。
此参数直接影响超声波传感器的测量精度及其安装角度的正确性。
3. 封装：封装是指超声传感器外壳的结构。
封装应满足超声传感器的使用要求，并符合工业使用环境条件，如防水、防潮、耐磨、抗冲击、耐压和重量等。
4. 振幅：振幅是指超声波传感器在发射过程中发出的振动波的一次振幅大小，通常用英寸（Inch）为单位表示。
振幅越大，超声波波形越完整，信号强度越强，但同时耗电也会较大，激光激励条件较严苛，因此振幅不宜过大。
5. 增益：增益是指超声传感器回放回被测物体发出的信号，经过噪声抑制及波形放大处理后，超声传感器读取的一种比值，单位为分贝（dB）。
增益越高，读取信号强度越大，但过高的增益可能导致信号失真。
6. 带宽：带宽是指超声波传感器在某一频率范围内的工作宽度。
7. 动态电阻（阻抗）：动态电阻是超声波传感器在运行过程中的电阻值，影响其能量转换效率。
8. 动态电容（匹配参数）：动态电容是超声波传感器在运行过程中的电容值，影响其匹配性能。
9. 动态电感（匹配参数）：动态电感是超声波传感器在运行过程中的电感值，影响其匹配性能。
这些参数可以通过专业设备进行测量，如阻抗分析仪等。
了解和调整超声换能器参数，有助于优化超声波传感器的性能和应用效果。
超声换能器的优化设计与性能研究
超声换能器的优化设计与性能研究超声波技术在医学、工业、环境等领域都有广泛的应用，而超声换能器作为超声波发射器和接收器的重要组成部分，对超声波的产生和检测起着至关重要的作用。
为了提高超声波传感器的性能和可靠性，优化超声换能器的设计是必要的。
本文将从超声换能器材料、结构、工艺等方面入手，探讨超声换能器的优化设计与性能研究。
一、超声换能器材料的选择超声换能器的材料对其性能有重要影响。
常见的超声换能器材料包括压电陶瓷、石英晶体、聚合物等。
其中，压电陶瓷是最常用的材料，它具有良好的压电效应、机械强度高、耐热性能好等特点。
在选择压电陶瓷时，应考虑其压电系数、介电常数、热膨胀系数等参数，以及其晶体结构的稳定性。
此外，压电陶瓷还需要具有良好的加工性能和可靠性，以保证超声换能器的稳定性和寿命。
二、超声换能器结构的设计超声换能器的结构也是影响其性能的重要因素。
典型的超声换能器结构包括单元式、线性组合式、阵列式等。
其中，单元式是最常用的结构形式，其优点是制造简单，成本低廉。
但是，单元式结构的灵敏度和分辨率都较低，适用于低频超声检测和成像；而线性组合式和阵列式结构则能实现更高的灵敏度和分辨率，但其制造成本也相对较高。
因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的结构形式。
超声换能器的电极结构也需要优化设计。
传统的电极结构采用等间距并联电极或圆环电极，但是这种结构容易产生不均匀场，从而影响超声波的辐射和接收效果。
因此，现代的超声换能器电极结构一般采用导电胶或导电纤维等材料，通过直接贴合或缝合等方式制成非均匀电极，以提高电场均匀性和效果。
三、超声换能器工艺技术的研究超声换能器的加工工艺也是影响其性能和可靠性的重要因素。
现代的加工工艺主要包括压电陶瓷片的制备、电极的制备、陶瓷和电极的粘接等步骤。
其中，压电陶瓷片的制备和后续的加工工艺都需要进行精密控制，以获得高质量的超声换能器。
一般，压电陶瓷片的制备可以采用压坯法、溶胶-凝胶法、水热法等。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理(总6页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除2、超声波换能器的工作原理(1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。
(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
(3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，面它自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理2、超声波换能器的工作原理(1) 超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。
(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
(3) 超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，面它自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。
S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。
超声波换能器工作原理
2、超声波换能器的工作原理(1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。
(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
(3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，面它自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。
S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。
超声波换能器工作原理
2、超声波换能器的工作原理(1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。
电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。
(2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。
(3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，面它自身消耗很少的一部分功率。
超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。
40kHZ超声波发射/接收电路综述40kHZ超声波发射电路(1)40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。
F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。
电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。
电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。
电源用9V叠层电池。
测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。
发射超声波信号大于8m。
40kHZ超声波发射电路(2)40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。
T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。
S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。
电容式超声波换能器工作原理
电容式超声波换能器工作原理
电容式超声波换能器是一种常见的超声波传感器，它利用电容的变化来测量距离或检测物体。
其工作原理如下：
1. 发射超声波，电容式超声波换能器内部包含一个压电陶瓷晶片，当施加电压时，压电陶瓷晶片会振动产生超声波。
这些超声波以固定频率发射出去。
2. 超声波传播，发射的超声波在空气中传播，当遇到物体时会发生反射。
传感器接收到反射的超声波信号。
3. 接收反射信号，传感器内部的压电陶瓷晶片也可以作为接收器，它会接收到反射的超声波信号并将其转化为电信号。
4. 电容变化，当超声波发射和接收之间的时间间隔可以通过测量电信号的时间延迟来计算出，根据声波的速度和时间延迟可以计算出物体与传感器的距离。
这个距离信息会导致电容式超声波换能器内部的电容值发生变化。
5. 电容测量，传感器内部的电路会测量电容的变化，并将其转
化为距离信息输出。
总的来说，电容式超声波换能器利用超声波的发射和接收来测
量物体与传感器之间的距离，通过测量电容的变化来输出距离信息。
这种工作原理使得电容式超声波换能器在测距和物体检测方面有着
广泛的应用，例如在自动驾驶汽车、工业自动化、智能家居等领域
都有着重要的作用。
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超声换能器
换能器接收器
外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振
动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，
从而引起换能器的电输出产生一个相应于声信号的电压和电流
对于接受型换能器要求换能器有大的输出功率和高的灵敏度。
接收换能器主要性能指标：
1 工作频率：对被动式接收换能器而言它的工作频率是一个较宽的频带，同
时要求换能器自身的谐振基频要比频带的最高频率还要高，以保证换能器有平坦
的接收响应。
2 机电转换系数n和机电耦合系数k:
3 阻抗特性
换能器作为一机电四端网络，它具有一定的特性阻抗和传输常数。由于换能
器在电路上要与发射机的末级回路和接收机的输入电路相匹配，所以在换能器设
计时计算出换能器的等效输入阻抗是十分重要的。
4 品质因素Q
常用电路系统的品质因素Qe和机械系统的品质因素Qm来共同描写换能器的
品质因素。
换能器的Q值与其工作频带宽度和传输能量的效率有密切的关系，Q值的大
小不仅与换能器的材料、结构、机械损耗的大小有关，还与辐射声阻抗有关。所
以同一个换能器处于不同介质的Q值是不相同的。
5 方向特性 0
对于一个接收换能器，它的方向特性曲线的尖锐程度决定了其探索空间方向
角的范围。所以超声换能器的方向特性的好坏直接关系到超声设备的作用距离。
6 频率特性
换能器的频率特性是指换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的特性。
例如一接收换能器的接收灵敏度随工作频率变化的特性。
7 灵敏度（接收声场的响应）
这是对接收换能器最重要的一个指标，又有电压灵敏度、电流灵敏度之分。
所谓接收换能器的自由场电压灵敏度，就是指接收换能器的输出电压与在声场中
引入换能器之前该点的自由声场声压的比值
式中，U（ω）表示接收换能器电负载上所产生的电压（V）；Pf(ω)表示接收换能
器接受面处自由声场的声压（μPa），有时也用dB表示
其基准灵敏度取为M。Nu（ω）称为自由场电压灵敏度。
所谓接收换能器的自由场电流灵敏度Mi（ω）（自由场电流响应），是指接收
换能器的输出电流与在声场中引入接收器之前的自由声场声压的比值，记为
M
式中，i（ω）单位是A，Pf单位是μPa。
在实际中，我们一般都采用电压灵敏度讨论问题，不常用电流灵敏度。
8 等效噪声压
当换能器用于接收器时，由于接收器内部的电声转换器件（例如压电陶瓷片）
在一定的温度下内部分子的热运动等将产生噪声，称为自噪声或固有噪声。这种
自噪声的大小决定了接收器所能测量的有用信号的最小可能值，它包含有许多频
率成分，可取在一赫兹频带宽度上的均方根电压来衡量其大小。
设有一正弦声波入射到接收器上（如果接收器尺寸不比声波小很多，则应当
沿正入射方向投射到振动面上），当此电压输出的有效值等于接收器自噪声在一
赫兹宽带上的均方根电压值时，则入射声压的有效值叫做等效噪声压。接收器等
效噪声压在数值上等于自噪声在一赫兹宽带上均方根电压值与接收器灵敏度的
比值，等效噪声压对1μbar基准声压所取的分贝数，称为接收换能器的等效噪
声声压级。
换能材料
压电晶体
1）描述压电材料性能的参数有三类即力学参数、电学参数和压电耦合参数。
压电振子的四类边界条件和四类压电方程
第一类边界条件
机械自由和电学短路
特点： T=0；S≠0；E=0；D≠0
压电方程：
sE、d、ε
T
分别是短路弹性柔顺系数、压电应变常数矩阵和自由介质常数
矩阵；
第二类边界条件
机械夹持和电学短路
特点：S=0；T≠0；E=0；D≠0
压电方程：
第三类边界条件
机械自由和电学开路
特点：T=0；S≠0；D=0；E≠0
压电方程：
i
S
第四类边界条件
机械夹持和电学开路
特点：S=0；T≠0；D=0；E≠0
压电方程：
j
T
2） 机电耦合系数
压电陶瓷材料的机电耦合系数综合反映了压电材料的性能。对于介电常数和
弹性常数有很大差异的压电材料，其性能可通过机电耦合系数加以直接比较。因
此通过测量压电陶瓷材料的机电耦合系数，可以间接的获得材料的弹性常数、介
电常数和压电常数。
3） 电学品质因数和介电损耗因子
机械品质因数和机械损耗因子
磁致伸缩材料
有些磁性材料具有一些特殊功能。当把它们放入磁场中时，便产生应力或应
变；或者当受到外界应力或应变时，在其中会产生磁场。具有这种特性的材料就
称为磁致伸缩材料。常用的磁致伸缩材料可分为两大类：一类是金属磁致伸缩材
料，另一类是铁氧体磁致伸缩材料。
与压电陶瓷材料有所不同，磁致伸缩材料具有一些特殊的性能。根据磁致伸
缩材料所产生的相对形变与磁场强度之间的关系曲线可以看出，有一些细致伸缩
材料，如铁等，在弱磁场的情况下产生伸长，而在强磁场的情况下则缩短。由于
铁的磁致伸缩性能比较复杂，因此铁不适合与制作磁致伸缩换能器材料。还有一
些材料，如镍，在磁场中的形变则始终是缩短的。然而镍的磁致伸缩效应却是最
大的。
任何磁致伸缩材料都具有磁饱和现象，即当外加的磁场从小到大逐渐增大
时，开始时应变随之增大，但当磁场增大到一定的程度以后，应变就不再增大，
即出现了磁饱和现象。与压电陶瓷材料一样，磁致伸缩材料也具有居里点，温度
对磁致伸缩材料的磁致伸缩效应具有很大的影响。随着温度的升高，磁致伸缩效
应逐渐减弱，当温度达到磁致伸缩材料的居里温度时，磁致伸缩效应将完全消失。
磁致伸缩效应所产生的应变与磁场的方向无关，即当外加磁场的方向改变而
大小不变时，所产生的应变的大小和方向皆不变，也就是说磁致伸缩效应所产生
的磁致伸缩应变是磁场强度的偶函数。因此当磁场应强度按照一定的角频率ω以
正弦或者余弦的规律变化时，应变变化的角频率则为2ω，而且应变的幅度较小，
波形不好。当外加一个恒定的磁感应强度时，即使磁致伸缩材料处于极化状态，
此时磁致伸缩材料的应变将产生三种分量，即恒定的分量、基频分量和倍频分量，
而基频分量比没有极化时大得多。鉴于这一现象，磁致伸缩材料总是在极化状态
下应用。在这一情况下，磁致伸缩效应所产生的应变与外加磁感应强度的变化是
同频率的。