超聲波傳感器工作原理及主要性能指標(biāo)

超聲波傳感器是利用超聲波的特性，將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。在講述超聲波傳感器之前，我們先來了解一下超聲波。

超聲波

聲波是一種能在氣體、液體、固體中傳播的機(jī)械波。聲波按頻率可分為次聲波、聲波和超聲波。

聲波頻率在 16Hz-20kHz 之間，是能為人耳所聞的機(jī)械波；次聲波就是頻率低于16 Hz 的機(jī)械，而波超聲波則是頻率高于20kHz的機(jī)械波 。

超聲波的特性是頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小。它最顯著的特性是方向性好，且在液體、固體中衰減很小，穿透本領(lǐng)大，碰到介質(zhì)分界面會(huì)產(chǎn)生明顯的反射和折射，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)中。

超聲波的傳播速度：超聲波通常有縱波、橫波及表面波，他們的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。氣體和液體中只能傳播縱波，氣體中聲速為344m/s，液體中聲速為900-1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關(guān)系。通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90% 。

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。能量的衰減決定于超聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。

以超聲波作為檢測(cè)手段，能產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器。

超聲波傳感器

性能指標(biāo)

超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)，包括；

（1）工作頻率。

工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

（2）工作溫度。

由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。

（3）靈敏度。

主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

工作原理

超聲波傳感器按其工作原理，可分為壓電式、磁致伸縮式 、電磁式等，以壓電式最為常用。

壓電式超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。常用的敏感元件材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷。

根據(jù)正、逆壓電效應(yīng)的不同，壓電式超聲波傳感器分為發(fā)生器（發(fā)射探頭）和接收器（接收探頭） 兩種，根據(jù)結(jié)構(gòu)和使用的波型不同可分為直探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、可變角探頭、雙晶探頭、聚焦探頭、水浸探頭、噴水探頭和專用探頭等。

壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。壓電式超聲波傳感器可以產(chǎn)生幾十千赫到幾十兆赫的高頻超聲波，其聲強(qiáng)可達(dá)幾十瓦每平方厘米。

壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上引起晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來。壓電式超聲波接收器的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時(shí)就用同一個(gè)傳感器兼作發(fā)生器和接收器兩種用途。

典型的壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜等組成。壓電晶片多為圓板形，超聲波頻率與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導(dǎo)電的極板，底面接地，上面接至引出線。為了避免傳感器與被測(cè)件直接接觸而磨損壓電晶片，在壓電晶片下粘合一層保護(hù)膜。吸收塊的作用是降低壓電晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收超聲波的能量。

磁致伸縮式超聲波傳感器

鐵磁材料在交變的磁場(chǎng)中沿著磁場(chǎng)方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象，稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)的強(qiáng)弱即材料伸長(zhǎng)縮短的程度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，如果先加一定的直流磁場(chǎng)，再通以交變電流時(shí)，它可以工作在特性最好的區(qū)域。磁致伸縮傳感器的材料除鎳外，還有鐵鉆釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。它們的工作效率范圍較窄，僅在幾萬赫茲以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬瓦，聲強(qiáng)可達(dá)幾千瓦每平方毫米，且能耐較高的溫度。

磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生出超聲波。它是用幾個(gè)厚為0.1-0.4mm的鎳片疊加而成，片間絕緣以減少渦流損失，其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等。

磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致伸縮材料上時(shí)，引起材料伸縮，從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場(chǎng)（ 即導(dǎo)磁特性）發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此電勢(shì)送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來。

選型要求

在選擇和安裝超聲波傳感器的時(shí)候都需要明確一些基本條件，不然就會(huì)直接影響著傳感器的測(cè)量結(jié)果。

探測(cè)范圍和大小

要探測(cè)的物體大小直接影響超聲波傳感器的檢測(cè)范圍。傳感器必須探測(cè)到一定聲級(jí)的聲音才可以進(jìn)行輸出。大部件能將大部分聲音反射給超聲波傳感器，這樣傳感器即可在其最遠(yuǎn)傳感距離檢測(cè)到此部件。小部件僅能反射較少的一部分聲音，從而導(dǎo)致傳感范圍大大縮小。

探測(cè)物體的特點(diǎn)

使用超聲波傳感器探測(cè)的理想物體應(yīng)體積大、平整且密度高，并與變換器正面垂直。最難探測(cè)的物體是體積小且由吸音材料制成的物體，或者與變換器呈一定角度的物體。

如果液面靜止且與傳感器表面垂直，探測(cè)液體就很容易。如果液面波動(dòng)大，可延長(zhǎng)傳感器的響應(yīng)時(shí)間，從而取波動(dòng)變化的平均值以獲得更一致的讀數(shù)。但是，超聲波傳感器還不能精確探測(cè)表面為泡沫狀的液體，因?yàn)榕菽瓡?huì)使聲音的傳播方向發(fā)生偏離。

這時(shí)可以使用超聲波傳感器的反向超聲模式，探測(cè)形狀不規(guī)則的物體。在反向超聲模式下，超聲波傳感器會(huì)探測(cè)一個(gè)平整背景，如墻壁。任何穿過傳感器和墻壁之間的物體都會(huì)阻斷聲波。傳感器即可通過探測(cè)該干擾來識(shí)別物體的存在。

溫度導(dǎo)致的衰減

傳感器還設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償功能，以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的緩慢改變。但是，它不能調(diào)節(jié)溫度梯度或環(huán)境溫度的快速變化。

周圍是否有振動(dòng)

無論是傳感器本身的振動(dòng)還是附近機(jī)器的振動(dòng)，都可能會(huì)影響測(cè)量距離時(shí)的精確度?？稍诎惭b傳感器時(shí)用橡膠防振裝置來減少這類問題。有時(shí)也可使用導(dǎo)軌來消除或降低部件振動(dòng)。

環(huán)境導(dǎo)致的誤測(cè)

附近的物體可能會(huì)反射聲波。要準(zhǔn)確探測(cè)目標(biāo)物體，必須降低或消除附近聲音反射表面的影響。為了避免誤測(cè)附近物體，許多超聲波傳感器都裝有LED指示燈，用于在安裝時(shí)指示操作人員，以確保正確安裝傳感器并降低誤測(cè)風(fēng)險(xiǎn)。

超聲波傳感器對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測(cè)，它對(duì)透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測(cè)。其檢測(cè)性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。

注意事項(xiàng)

根據(jù)超聲波傳感器的特點(diǎn)和使用中的不同情況，需要注意一下幾點(diǎn)：

1、為確?？煽啃约把娱L(zhǎng)使用壽命，請(qǐng)勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器。

2、細(xì)粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時(shí)無法被檢出（反射型傳感器）。

3、噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會(huì)影響傳感器且不應(yīng)在傳感器附近使用。

4、傳感器表面的水滴縮短了檢出距離。

5、由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質(zhì)，因此局部溫度不同時(shí)，分界處的反射和折射可能會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作，風(fēng)吹時(shí)檢出距離也會(huì)發(fā)生變化。因此，不應(yīng)在強(qiáng)制通風(fēng)機(jī)之類的設(shè)備旁使用傳感器。

6、請(qǐng)勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器;此區(qū)域的大氣不均勻。將會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，從而導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤

7、不能在真空區(qū)或防爆區(qū)使用傳感器。

超聲波傳感器與聲納傳感器的區(qū)別

說到超聲波傳感器，經(jīng)常會(huì)引出聲納傳感器，很多人認(rèn)為這兩種是一種傳感器，這兩種傳感器之間有什么區(qū)別呢？

聲納傳感器直接探測(cè)和識(shí)別水中的物體和水底的輪廓，聲納傳感器發(fā)出一個(gè)聲波信號(hào)，當(dāng)遇到物體后會(huì)反射回來，依據(jù)反射時(shí)間及波型去計(jì)算它的距離及位置。 聲納傳感器主要用于探測(cè)生物，比如用于探測(cè)水底有哪些生物，生物體形有多大等。經(jīng)常問你聽說的用于探測(cè)水怪的裝置就是聲納傳感器。

超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。