超声波传感器.docx

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超声波传感器

超声波传感器

一、超声波

人们可以听到的声音频率为20Hz-20KHz,即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20KHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz-8KHZz。

超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。

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，它可穿透几十米的深度。

例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。

二、超声波传感器

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种特质就可以制成超声波传感器。

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。

另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为330m/s,这就使得超声波传感器使用变得非常简单，可以广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

三、超声波的结构及性能指标

超声波传感器主要由四个部分构成，它们的功能如下：

∙发送器：

通过振子（一般为陶瓷制品，直径约为15mm）振动产生超声波并向空中幅射。

∙接收器：

振子接收到超声波时，根据超声波发生相应的机械振动，并将其转换为电能量，作为接收器的输出。

∙控制部分：

通过用集成电路控制发送器的超声波发送，并判断接收器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小。

∙电源部分：

超声波传感器通常采用电压为DC12V±10%或24V±10%外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。

超声波传感器由金属网、外壳、锥形扬声器、压电晶片、底座、引脚等部分组成。

其中压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射传声器能使发射和接收的超声波能量集中，并使传感器具有一定的指向角.金属外壳主要是为防止外力对内部元器件的损坏，并防止超声波向其他方向散射。

金属网也起保护作用，但不影响超声波的发射和接收。

超声波传感器内部结构图

超声波传感器外部结构图

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。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：

工作频率

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

工作温度

由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间的工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

灵敏度

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

四、超声波传感器的特点

由于超声波指向性很强，超声波发射器向某一方向发射超声波，途中碰到障碍物就立即返回来，通过时差原理以及声速已知很容易计算出发射点离障碍物的距离。

而且由于超声波能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而经常被用于距离的测量。

超声波传感器还具有高灵敏度、体积小、重量轻、较牢固、高精度、一致性好、功耗低以及在污染环境中使用的优点。

五、超声波传感器的分类

1.压电式超声波传感器

压电式超声波传感器的结构如图所示，主要由超声波发射器和超声波接收器两部分组成，它们都是利用压电材料（如石英、压电陶瓷等）的压电效应进行发射、接收超声波的。

压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。

超声波发送器是利用逆向压电效应制成——即在压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。

将电压加至压电晶片银层，使面积相同间隔一定距离的两块金属极板分别带上等量异种电荷形成电场，有电场就存在电场力，压电晶片处在电场中，在电场力的作用下发生形变，在交变电场力的作用下，发生变形的效应，称为逆压电效应，也是发射超声波的过程。

超声波接收器是利用正向压电效应制成——即接收到的超声波促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，就产生与超声波频率相同的高频电压。

当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。

　因为超声波是机械波，机械波是由振动产生的，超声波发现缺陷引起缺陷振动，其中一部分沿原路返回，由于超声波具有一定的能量，再作用到压电晶体上，使压电晶体在交变拉、压力作用下产生交变电场，这种效应称为正压电效应，是接收超声波的过程。

在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器合成为一体，由一个压电元件作为"发射"和"接收"兼用，其工作原理为：

将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将这反射波转换为电信号输出。

2.磁致式超声波传感器

磁致式超声波传感器的结构如图所示，主要由铁磁材料和线圈组成。

超声波的发射原理是:

把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。

其接收原理是:

当超声波作用在磁致材料上时，使磁致材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。

六、超声波传感器的应用

超声波传感器应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一。

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为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，等等，因而受到医务工作者和患者的欢迎。

超声波诊断是利用超声波的反射原理，当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。

每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声振幅的高低。

　　在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤、超声波测厚和测量液位等。

过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感器的出现改变了这种状况。

超声波探测既可检测材料表面的缺陷，又可检测材料内部几米深的缺陷。

当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。

超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：

s=340t/2。

　　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。

超声波测量方法有许多其他方法不可比拟的优点：

（1）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、酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；

（2）响应时间短，可以方便地实现无滞后的实时测量。

七、超声波传感器的发展前景

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。

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。

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，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：

研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的工业传感器成和融合，形成多工业传感器。

随着工业传感器的技术进步，工业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。

在新的世纪里，超声波传感器将发挥更大的作用。