[牛人杂谈] 有关超声探头阻抗的分析

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 楼主| zhuotuzi 发表于 2016-10-24 19:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
我们知道正常人耳能听到的声音频率范围是20Hz~20KHz,超声就是声音频率在20KHz以上的声信号,避开人耳能听到的声音信号,这样超声就具有强的抗干扰能力。
最简便的方法就是使用网络分析仪,两端口一对上,直接给出|Z|~f的变化曲线图。但网络分析仪太贵了,除非大公司否则一般用不起,另一种方法就是自己搭电路,用正弦波信号发生器测量。下面是搭电路的测量方法(这部分方法和测试数据来自网络**《超声波测距模块》)。
Ultrasound.jpg

 楼主| zhuotuzi 发表于 2016-10-24 19:20 | 显示全部楼层
实验最后给出了两个不同频率下的匹配阻抗值。非线性电路中也满足欧姆定律,只不过电阻被阻抗代替了,“欧姆定律真是一项伟大的发现”,
QQ截图20161024192038.png
超声的发送距离与超声探头发射的能量P=U^2/|Z|有关,远距离超声测距当然希望的是:相同电压下,超声探头的阻抗越小越好。
由于40KHz和51KHz是阻抗匹配谐振的两个低峰值点,对应阻抗的极小值点,这也是为什么市面上的超声一般都用40KHz(40KHz谐振点处变化相对于51KHz平缓,当驱动频率存在小的偏差时对输出的影响要比50KHz小)。从上面的曲线可以看出,如果电路允许,使用51KHz进行超声测距距离会更远(阻抗比40KHz更低)。
由于超声发射头生产的原因,谐振频率不一定精确的是40KHz和51KHz,难免会存在误差,最好的方法是使用矢量网络分析仪直接测|Z|f曲线,使用|Z|f测出的谐振频率。我购买的收发一体超声探头的谐振频率点时51.48KHz。
测试后的修正
通过设计电路测试发现,在51KHz附近,超声接收到的信号非常弱,反而40KHz附近接收到的信号很强。上面的分析结论——如果电路允许,使用51KHz进行超声测距距离会更远——存在问题。做如下修正:
因为51KHz只考虑的是发射端的增益,而整体的信号接收情况是Gain(总)=Gain(发射)*Gain(接收),当发射增益在51KHz时很大,而51KHz时接收端的增益却很小,最后造成了Gain(总)很小。通过发射(使用信号发生器手动调节频率来测试)接收联合测试,最后还是在40KHz(就买到的超声探头具体一点是39.5KHz)时Gain(总)达到最大。
天灵灵地灵灵 发表于 2016-10-24 20:40 | 显示全部楼层
在51KHz附近,超声接收到的信号非常弱,反而40KHz附近接收到的信号很强。上面的分析结论——如果电路允许,使用51KHz进行超声测距距离会更远——存在问题。
那就是40KHz才是没问题的。
huangcunxiake 发表于 2016-10-24 22:16 | 显示全部楼层
由于超声发射头生产的原因,谐振频率不一定精确的是40KHz和51KHz,难免会存在误差,最好的方法是使用矢量网络分析仪直接测|Z|f曲线,使用|Z|f测出的谐振频率。我购买的收发一体超声探头的谐振频率点时51.48KHz。
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