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為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：

圖1：傳感器聲學特性測試系統

圖1所示為微型超聲傳感器的聲學特性測試系統。函數發生器輸出的直流偏置和交流激勵電壓經電壓放大器放大后，施加到電容式超聲波傳感器上，使其發射超聲波。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，形成一發一收狀態。超聲波傳感器接收到的超聲波信號經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個周期的正弦交流激勵，直流偏置電壓為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：收發傳感器間距為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后的結果。接收到的信號峰峰值約為0.071V、0.122V和0.129V，測試電路中傳感器接收的信號放大后輸出至示波器，因此實際接收信號的峰峰值約為0.35mV、0.61mV和0.64mV。

圖4：40kHz平膜與非平膜傳感器發射信號波形

將40kHz的平膜和非平膜傳感器作為發射器，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個周期的正弦交流激勵，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波形，上圖為平膜傳感器發射的信號，下圖為凸臺非平膜傳感器發射的信號。接收到的信號峰峰值約為0.074V和0.088V，實際接收信號的峰峰值約為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為100V和200V，交流激勵為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為0.082V，接收到的非平膜傳感器發射聲波信號的幅值約為0.113V。

圖6：平膜傳感器濾波后的波形與頻譜圖

圖6是平膜傳感器發射信號經濾波后的波形與頻譜分析結果，傳感器中心頻率約為35kHz，帶寬約為90%。圖7為凸臺非平膜傳感器發射信號經濾波后的波形與頻譜分析結果，中心頻率約為34kHz，帶寬約為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：非平膜傳感器濾波后的波形與頻譜圖

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審核編輯 黃宇