電壓放大器在電容式超聲傳感器聲學測試中的應用
實驗名稱:傳感器聲學特性測試
研究方向:本章設計了用于聲頻定向技術的超聲傳感器,對所設計傳感器的工作參數進行了仿真分析,驗證了設計的合理性。制作了電容式超聲傳感器實驗樣品。利用激光多普勒測振系統對傳感器進行機械特性測試,利用阻抗分析儀對傳感器的電輸入阻抗進行測試,構建了傳感器的聲學特性測試實驗系統,利用研制的電容式超聲波傳感器發射超聲波,商用超聲波傳感器作爲接收器進行了驗證實驗。
測試設備:電壓放大器、函數發生器、超聲波傳感器、示波器、傳感器等。
實驗過程:
图1:傳感器聲學特性測試系统
图1所示为微型超聲傳感器的聲學特性测试系统。函数发生器输出的直流偏置和交流激励電壓经電壓放大器放大后,施加到电容式超聲波傳感器上,使其发射超聲波。利用超聲波傳感器作为接收器,将电容超聲傳感器和傳感器相对放置,形成一发一收状态。超聲波傳感器接收到的超聲波信号经放大电路后输出至示波器。
圖2:超聲傳感器接收到的波形
對直徑爲2.5mm的傳感器施加頻率爲30kHz,20Vp-p,10個周期的正弦交流激勵,直流偏置電壓爲100V。將發射和接收傳感器距離5mm放置,利用傳感器接收到的信號原始波形如圖2所示。
實驗結果:
圖3:收發傳感器間距爲5mm、3mm和2mm時接收到的波形
圖3所示是收發傳感器分別以5mm,3mm,和2mm的距離放置時,傳感器接收到的信號經濾波處理後的結果。接收到的信號峰峰值約爲0.071V、0.122V和0.129V,測試電路中傳感器接收的信號放大後輸出至示波器,因此實際接收信號的峰峰值約爲0.35mV、0.61mV和0.64mV。
圖4:40kHz平膜與非平膜傳感器發射信號波形
將40kHz的平膜和非平膜傳感器作爲發射器,傳感器作爲接收器,兩傳感器相對5mm距離放置。對傳感器施加頻率爲40kHz,20Vp-p,10個周期的正弦交流激勵,平膜傳感器偏置電壓爲100V,非平膜傳感器偏置電壓爲200V。圖4所示是接收到的信號波形,上圖爲平膜傳感器發射的信號,下圖爲凸台非平膜傳感器發射的信號。接收到的信號峰峰值約爲0.074V和0.088V,實際接收信號的峰峰值約爲0.37mV和0.44mV。從測試結果可看出,非平膜傳感器的輸出聲壓值高于平膜傳感器。由于施加到傳感器上的偏置電壓較小,因此接收到的信號幅值較小。
圖5:平膜和非平膜傳感器發射聲波波形
利用制作的頻率相同的平膜和非平膜傳感器進行發射實驗,施加的偏置電壓分別爲100V和200V,交流激勵爲40kHz,25Vp-p,1個周期的正弦波信號,傳感器接收到的信號原始波形如圖5所示。接收到平膜傳感器發射的聲波信號幅值約爲0.082V,接收到的非平膜傳感器發射聲波信號的幅值約爲0.113V。
圖6:平膜傳感器濾波後的波形與頻譜圖
圖6是平膜傳感器發射信號經濾波後的波形與頻譜分析結果,傳感器中心頻率約爲35kHz,帶寬約爲90%。圖7爲凸台非平膜傳感器發射信號經濾波後的波形與頻譜分析結果,中心頻率約爲34kHz,帶寬約爲100%。從傳感器的聲學特性測試結果可以知道,非平膜傳感器的發射能力高于平膜傳感器,而且非平膜傳感器的帶寬大于平膜傳感器,與仿真分析的結果一致。
圖7:非平膜傳感器濾波後的波形與頻譜圖
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