實(shí)驗(yàn)名稱：傳感器聲學(xué)特性測試

研究方向：本章設(shè)計(jì)了用于聲頻定向技術(shù)的超聲傳感器，對所設(shè)計(jì)傳感器的工作參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。制作了電容式超聲傳感器實(shí)驗(yàn)樣品。利用激光多普勒測振系統(tǒng)對傳感器進(jìn)行機(jī)械特性測試，利用阻抗分析儀對傳感器的電輸入阻抗進(jìn)行測試，構(gòu)建了傳感器的聲學(xué)特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用研制的電容式超聲波傳感器發(fā)射超聲波，商用超聲波傳感器作為接收器進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

測試設(shè)備：電壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、超聲波傳感器、示波器、傳感器等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：傳感器聲學(xué)特性測試系統(tǒng)

圖1所示為微型超聲傳感器的聲學(xué)特性測試系統(tǒng)。函數(shù)發(fā)生器輸出的直流偏置和交流激勵(lì)電壓經(jīng)電壓放大器放大后，施加到電容式超聲波傳感器上，使其發(fā)射超聲波。利用超聲波傳感器作為接收器，將電容超聲傳感器和傳感器相對放置，形成一發(fā)一收狀態(tài)。超聲波傳感器接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大電路后輸出至示波器。

圖2：超聲傳感器接收到的波形

對直徑為2.5mm的傳感器施加頻率為30kHz，20Vp-p，10個(gè)周期的正弦交流激勵(lì)，直流偏置電壓為100V。將發(fā)射和接收傳感器距離5mm放置，利用傳感器接收到的信號(hào)原始波形如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖3：收發(fā)傳感器間距為5mm、3mm和2mm時(shí)接收到的波形

圖3所示是收發(fā)傳感器分別以5mm，3mm，和2mm的距離放置時(shí)，傳感器接收到的信號(hào)經(jīng)濾波處理后的結(jié)果。接收到的信號(hào)峰峰值約為0.071V、0.122V和0.129V，測試電路中傳感器接收的信號(hào)放大后輸出至示波器，因此實(shí)際接收信號(hào)的峰峰值約為0.35mV、0.61mV和0.64mV。

圖4：40kHz平膜與非平膜傳感器發(fā)射信號(hào)波形

將40kHz的平膜和非平膜傳感器作為發(fā)射器，傳感器作為接收器，兩傳感器相對5mm距離放置。對傳感器施加頻率為40kHz，20Vp-p，10個(gè)周期的正弦交流激勵(lì)，平膜傳感器偏置電壓為100V，非平膜傳感器偏置電壓為200V。圖4所示是接收到的信號(hào)波形，上圖為平膜傳感器發(fā)射的信號(hào)，下圖為凸臺(tái)非平膜傳感器發(fā)射的信號(hào)。接收到的信號(hào)峰峰值約為0.074V和0.088V，實(shí)際接收信號(hào)的峰峰值約為0.37mV和0.44mV。從測試結(jié)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(hào)幅值較小。

圖5：平膜和非平膜傳感器發(fā)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(jìn)行發(fā)射實(shí)驗(yàn)，施加的偏置電壓分別為100V和200V，交流激勵(lì)為40kHz，25Vp-p，1個(gè)周期的正弦波信號(hào)，傳感器接收到的信號(hào)原始波形如圖5所示。接收到平膜傳感器發(fā)射的聲波信號(hào)幅值約為0.082V，接收到的非平膜傳感器發(fā)射聲波信號(hào)的幅值約為0.113V。

圖6：平膜傳感器濾波后的波形與頻譜圖

圖6是平膜傳感器發(fā)射信號(hào)經(jīng)濾波后的波形與頻譜分析結(jié)果，傳感器中心頻率約為35kHz，帶寬約為90%。圖7為凸臺(tái)非平膜傳感器發(fā)射信號(hào)經(jīng)濾波后的波形與頻譜分析結(jié)果，中心頻率約為34kHz，帶寬約為100%。從傳感器的聲學(xué)特性測試結(jié)果可以知道，非平膜傳感器的發(fā)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(jié)果一致。

圖7：非平膜傳感器濾波后的波形與頻譜圖

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審核編輯 黃宇