什么是超声波传感器?

[导读]什么是超声波传感器?超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号(通常是电信号)的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。

什么是超声波传感器?超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号(通常是电信号)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。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，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。数年前，在传感器技术领域，超声波传感器一直是备用的选择。新技术使得今天的超声波传感器非常坚固耐用并有着精确的感应能力，这些新增强的特性拓展了新的应用领域，完全超越了传统的超声波传感器的应用。

超声波传感器的原理及性能指标

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，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，它可穿透几十米的深度。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。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。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。

超声波传感器利用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体，传感器就能接收到返回波。

传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离，一个传感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定，无论物体在那一种界限里，传感器都可以检测到。

有一些超声波传感器使用独立的发射器和接收器，当检测缓慢移动的物体，或者需要快速响应或者在潮湿环境中应用时，这种对射式或者叫分离式的超声波传感器就非常适用。在检测透明物体、液体，检测光滑、粗糙和有光泽的，半透明材料的物体表面，和检测不规则物体时，超声波传感器都是首选。

超声波传感器不适用的情况有：户外，极热的环境，有压力的容器内，同样不能检测有泡沫的物体。

超声波传感器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。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(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头 (表面波 )、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。

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，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：

(1)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。

(2)工作温度

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

(3)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。

超声波传感器的典型性应用

不管你的任务是在物流行业，工程机械，食品和饮料，料位检测或自动门和工业门检测：超声波传感器都能为最多样化的应用需求提供解决方案。请看以下9种综合应用实例，向你展示了超声波传感器的多功能性。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(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头发射、一个探头接收)等。

磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。它是用几个厚为0.1-0.4mm的镍片叠加而成，片间绝缘以减少涡流损失，其结构形状有矩形、窗形等。

磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场( 即导磁特性)发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。

选型要求

在选择和安装超声波传感器的时候都需要明确一些基本条件，不然就会直接影响着传感器的测量结果。

探测范围和大小

要探测的物体大小直接影响超声波传感器的检测范围。传感器必须探测到一定声级的声音才可以进行输出。大部件能将大部分声音反射给超声波传感器，这样传感器即可在其最远传感距离检测到此部件。小部件仅能反射较少的一部分声音，从而导致传感范围大大缩小。

探测物体的特点

使用超声波传感器探测的理想物体应体积大、平整且密度高，并与变换器正面垂直。最难探测的物体是体积小且由吸音材料制成的物体，或者与变换器呈一定角度的物体。

如果液面静止且与传感器表面垂直，探测液体就很容易。如果液面波动大，可延长传感器的响应时间，从而取波动变化的平均值以获得更一致的读数。但是，超声波传感器还不能精确探测表面为泡沫状的液体，因为泡沫会使声音的传播方向发生偏离。

这时可以使用超声波传感器的反向超声模式，探测形状不规则的物体。在反向超声模式下，超声波传感器会探测一个平整背景，如墙壁。任何穿过传感器和墙壁之间的物体都会阻断声波。传感器即可通过探测该干扰来识别物体的存在。超声波传感器工作原理及性能指标详解

超声波传感器的工作原理基于超声波在空气、液体或固体中的传播和回波的时间差测量。以下是其详细工作过程：

发射：传感器发射超声波脉冲信号。