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时钟振荡器的作用原理,超声波传感器原理

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时钟振荡器是利用了晶体的压电效应制造的,当在晶片的两面上加交变电压时,晶片会反复的机械变形而产生振动,而这种机械振动又会反过来产生交变电压。

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据麦姆斯咨询报道,日本电报电话公司和日本东北大学通过使用一种被称为声子晶体的人工复合材料,能够操纵超声波振动的“流动”,并证实了通过波形压缩产生的信号放大。

晶体振荡器,以下简称晶振,是利用了晶体的压电效应制造的,当在晶片的两面上加交变电压时,晶片会反复的机械变形而产生振动,而这种机械振动又会反过来产生交变电压。当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其它频率下的振幅大得多,产生共振,这种现象称为压电谐振。晶振产生振荡必须附加外部时钟电路,一般是一个放大反馈电路,只有一片晶振是不能实现震荡的。

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

众所周知,当敲击音叉时,它会以其结构确定的特定频率发声。类似地,如果被称为MEMS的微小结构产生振动时,则会引起人耳听不到的高频振动,亦即超声波。在现代移动通信系统中,诸如“表面声波滤波器”之类的SAW
MEMS器件,以及利用该现象的振荡元件已广泛应用于发送和接收的高频信号处理。

于是就有了时钟振荡器,将外部时钟电路跟晶振放在同一个封装里面,一般都有4个引脚了,两条电源线为里面的时钟电路提供电源,又叫做有源晶振,时钟振荡器,或简称钟振。好多钟振一般还要做一些温度补偿电路在里面,让振荡频率能更加准确。晶振振荡器的等效电路也可以认为是一个LCR振荡电路。

常用的超声波传感器由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构,可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。

NTT的研究团队基于MEMS谐振器制造技术开发出了一种名为“声子晶体”的新型“人造声学晶体”,并将其用作控制超声波振动传播的平台。通过使用这种声子晶体,超声波的扩散控制成为可能,这实现了现有MEMS技术难以完成的对超声波振动速度和波长的控制。

时钟振荡器的作用是什么?

超声波传感器的应用

上图为声子晶体波导和测量示意图。底部插图显示器件横截面的SEM图像,该器件由选择性蚀刻Al0.65Ga0.35As层制成的GaAs
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AlGaAs异质结构组成,比例尺为5μm。周期性结构由上插图所示的宽度22μm波导确定,孔距8μm。右侧边缘处利用压电效应激发纳米结构机械振动,然后在室温和高真空下利用激光多普勒干涉仪在左侧边缘处进行测量。

时钟振荡电路中精确地确定振荡频率,它与所属电路系统中的主芯片内部的振荡电路配合,共同组成“石英晶体谐振器”,产生主板上各个系统所必需的时钟信号。工作时,首先由主芯片内部的“多谐振荡器”产生一个频谱很宽的振荡,这个包含有多种“谐频”的振荡信号从主芯片输出后,直接加到晶体的两端,通过晶体的“精确选频”作用,确定一个所需要的时钟频率之后,再反馈回芯片内部去控制“多谐振荡器”的振荡频率。这样,整个时钟发生器就在晶体选定的频率上工作,产生一个频率稳定、幅度恒定的时钟脉冲,提供给主芯片内部的各个系统,使这些结构不同、功能各异的电路在“时钟”的控制下,按照统一的“节奏”、数据传输速率以及规定的“时序”相互配合、互相协调地工作,从而完成这个单元电路系统中的主芯片所担负的功能。

传感器:“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用

在这项研究中使用的声子晶体由传输微小振动的路径组成,就好像鼓的膜沿一个方向拉伸一样。通过向安装在波导末端的电极施加电压,通过压电效应局部诱发超声波振动。通过测量这种振荡的传播,通过实验证实了声子晶体群速度的频率依赖性,即所谓的色散。

简单的说时钟电路就是一个振荡器,给单片机提供一个节拍,单片机执行各种操作必须在这个节拍的控制下才能进行。因此单片机没有时钟电路是不会正常工作的。时钟电路本身是不会控制什么东西,而是你通过程序让单片机根据时钟来做相应的工作。

信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

利用这种群速度色散,不同频率的波以不同的速度在声子晶体中传播。另外,通过从波导末端施加频率调制来输入振动,据称首次成功地实现了波形的扩展和压缩。通过使用该技术,可以精确地控制振动波形的压缩比例以及压缩的位置和时间。此外,通过使用MEMS技术,还可以显著减小信号处理装置的尺寸并提高集成度。

几乎所有的数字系统在处理信号都是按节拍一步一步地进行的,系统各部分也是按节拍做的,要使电路的各部分统一节拍就需要一个“时钟信号”,产生这个时钟信号的电路就是时钟电路。

目前对传感器尚无一个统一的分类方法,但比较常用的有如下三种:

对芯片上超声波振动的控制改进,对于现代通讯和传感技术来说非常重要。相比广泛使用的微机械谐振器,波导结构具有多种优势,例如宽频率范围、高运行速度以及更低的能耗等。对芯片上聚焦弹性波时间和位置的调整能力,将推动新技术的开发,不仅可以操纵纳米材料,而且还可以通过局部受限应变有选择地驱动量子器件。此外,这种时域聚焦技术可应用于2D声子晶体和超材料,基于2D带结构的各向异性特性对弹性波传播进行定向控制,以创造新的方法来操纵芯片上的弹性波。

时钟电路的核心是个比较稳定的振荡器(一般都用晶体振荡器),振荡器产生的是正弦波,频率不一定是电路工作的时钟频率,所以要把这正弦波进行分频,处理,形成时钟脉冲,然后分配到需要的地方。让系统里各部分工作时使用。

1、按传感器的物理量分类,可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器

时钟振荡器的原理

2、按传感器工作原理分类,可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。

主要有由电容器和电感器组成的LC回路,通过电场能和磁场能的相互转换产程自由振荡。要维持振荡还要有具有正反馈的放大电路,LC振荡器又分为变压器耦合式和三点式振荡器,很多应用石英晶体的石英晶体振荡器,还有用集成运放组成的LC振荡器。

3、按传感器输出信号的性质分类,可分为:输出为开关量的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。

由于器件不可能参数完全一致,因此在上电的瞬间两个三极管的状态就发生了变化,这个变化由于正反馈的作用越来越强烈,导致到达一个暂稳态。暂稳态期间另一个三极管经电容逐步充电后导通或者截止,状态发生翻转,到达另一个暂稳态。这样周而复始形成振荡。

在这里,主要给大家介绍一种在日常生活中运用非常广泛的,给人类社会带来很大便利的传感器——超声波传感器以及其在倒车雷达上的应用。

超声波传感器基本介绍

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一

块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体及镍铁铝合金两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。超声波传感器由发送传感器、接收传感器、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超声波进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

超声波传感器工作原理

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡及纵向振荡。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍

射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,从而使两种不相溶的液体发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

超声波的特点:

超声波在传播时,方向性强,能量易于集中;

超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离;超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息。

超声波传感器的应用

超声波传感技术应用在生产实践的不同方面。

1、超声波距离传感器技术的应用

超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。

2、超声波传感器在医学上的应用

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。

3、超声波传感器在测量液位的应用

超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

4、超声波传感器在测距系统中的应用

超声测距大致有以下方法:

①取输出脉冲的平均值电压,该电压 与距离成正比,测量电压即可测得距离;

②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为
S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

5、超声波传感器在工业方面的应用

在工业方面,超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去,许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍,超声波传感技术的出现改变了这种状况。超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处,并由一截面进入另一截面时,在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法,当超声波束自零件表面由探头通至金属内部,遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来,在荧光屏上形成脉冲波形,根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

6、超声波传感器在倒车雷达上的应用

倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”,也叫“泊车辅助装置”,是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置,由超声波传感器、控制器和显示器等部分组成。能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况,解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提高驾驶的安全性。

倒车雷达是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。探头装在后保险杠上,根据不同价格和品牌,探头有二、三、四、六、八只不等,分别管前后左右。探头以45度角辐射,上下左右搜寻目标。它最大的好处是能探索到那些低于保险杠而司机从后窗难以看见的障碍物,并报警,如花坛、蹲在车后玩耍的小孩等。倒车雷达的显示器装在后视镜上,它不停地提醒司机车距后面物体还有多少距离,到危险距离时,蜂鸣器就开始鸣叫,让司机停车。挡位杆挂入倒挡时,倒车雷达自动开始工作,测距范围达0.3到2.0米左右,故在停车时,对司机很实用。

倒车雷达就相当于超声波探头,从整体上来说超声波探头可以分为两大类:一是用电气方式产生超声波,其二是用机械方式产生超声波,鉴于目前较为常用的是压电式超声波发生器,它有两个电晶片和一个共振板,当两极外加脉冲信号,它的频率等于压电晶片的固有震荡频率时,压力晶片将会发生共振,并带动共振板振动,将机械的能转为电信号的这一过程,这就成了超声波探头的工作原理。

为了更好地研究超声波和利用起来,人们已经设计和制造出很多超声波发声器,超声波探头加以运用在使用汽车倒车雷达上。这种原理用在一种非接触检测技术上,用于测距来说其计算简单,方便迅速,易于做到实时控制,距离准确度达到工业实用的要求。倒车雷达用于测距上,在某一时刻发出超声波信号,在遇到被测物体后的射回信号波,被倒车雷达接收到,得用在超声波信号从发射到接收回波信号这一个时间而计算出在介质中的传播速度,这就可以计算出探头与被探测到的物体的距离。

在人类文明的历次产业革命中,传感技术一直扮演着先行官的重要角色,它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术,在人们可以想象的所有领域中,它几乎无所不在。

随着传感器的技术进步,传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能,最终发展到具有创造力。在新的世纪展望未来,超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展。在满足日益发展的社会需求里,面貌一新的传感器将发挥更大的作用。

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