超聲波傳感器是利用超聲波的特性，將超聲波信號轉換成電信號的傳感器。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械波,；次聲波就是頻率低于16 Hz 的機械,，而波超聲波則是頻率高于20kHz的機械波 。

　　超聲波的特性是頻率高,、波長短,、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,，穿透本領大，碰到介質分界面會產生明顯的反射和折射,，因而廣泛應用于工業(yè)檢測中,。

　　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,，取決于介質的彈性常數(shù)及介質密度。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系。通?？烧J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% 。

　　超聲波在介質中傳播時,，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散,、散射和吸收,。

　　以超聲波作為檢測手段，能產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

　　超聲波傳感器的主要性能指標，包括,；

　?。?）工作頻率。

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

　?。?）工作溫度。

　　由于壓電材料的居里點一般比較高,，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小,，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高,，需要單獨的制冷設備,。

　　（3）靈敏度,。

　　主要取決于制造晶片本身,。機電耦合系數(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)結構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的原理將高頻電振動轉換成高頻機械振動,，從而產生超聲波。當外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會產生共振,，此時產生的超聲波最強,。壓電式超聲波傳感器可以產生幾十千赫到幾十兆赫的高頻超聲波，其聲強可達幾十瓦每平方厘米,。

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

　　典型的壓電式超聲波傳感器結構主要由壓電晶片,、吸收塊（阻尼塊）、保護膜等組成,。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件直接接觸而磨損壓電晶片,，在壓電晶片下粘合一層保護膜。吸收塊的作用是降低壓電晶片的機械品質,，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中沿著磁場方向產生伸縮的現(xiàn)象，稱為磁致伸縮效應,。磁致伸縮效應的強弱即材料伸長縮短的程度,，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應最大,，如果先加一定的直流磁場,，再通以交變電流時，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，但功率可達十萬瓦,，聲強可達幾千瓦每平方毫米,，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中,，使它產生機械尺寸的交替變化即機械振動,，從而產生出超聲波。它是用幾個厚為0.1-0.4mm的鎳片疊加而成,，片間絕緣以減少渦流損失,，其結構形狀有矩形、窗形等,。

　　磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當超聲波作用在磁致伸縮材料上時,，引起材料伸縮,，從而導致它的內部磁場（ 即導磁特性）發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應,，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應電動勢,。此電勢送到測量電路，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候都需要明確一些基本條件,，不然就會直接影響著傳感器的測量結果。

　　探測范圍和大小

　　要探測的物體大小直接影響超聲波傳感器的檢測范圍,。傳感器必須探測到一定聲級的聲音才可以進行輸出,。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傳感距離檢測到此部件,。小部件僅能反射較少的一部分聲音,，從而導致傳感范圍大大縮小。

　　探測物體的特點

　　使用超聲波傳感器探測的理想物體應體積大,、平整且密度高,，并與變換器正面垂直,。最難探測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,，探測液體就很容易,。如果液面波動大，可延長傳感器的響應時間,，從而取波動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表面為泡沫狀的液體,，因為泡沫會使聲音的傳播方向發(fā)生偏離,。

　　這時可以使用超聲波傳感器的反向超聲模式，探測形狀不規(guī)則的物體,。在反向超聲模式下,，超聲波傳感器會探測一個平整背景，如墻壁,。任何穿過傳感器和墻壁之間的物體都會阻斷聲波,。傳感器即可通過探測該干擾來識別物體的存在。

　　溫度導致的衰減

　　傳感器還設計了溫度補償功能,，以調節(jié)環(huán)境溫度的緩慢改變,。但是，它不能調節(jié)溫度梯度或環(huán)境溫度的快速變化,。

　　周圍是否有振動

　　無論是傳感器本身的振動還是附近機器的振動,，都可能會影響測量距離時的精確度,。可在安裝傳感器時用橡膠防振裝置來減少這類問題,。有時也可使用導軌來消除或降低部件振動,。

　　環(huán)境導致的誤測

　　附近的物體可能會反射聲波。要準確探測目標物體,，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,，用于在安裝時指示操作人員,，以確保正確安裝傳感器并降低誤測風險。

　　超聲波傳感器對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測,，它對透明或有色物體,，金屬或非金屬物體，固體,、液體,、粉狀物質均能檢測。其檢測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

　　根據(jù)超聲波傳感器的特點和使用中的不同情況，需要注意一下幾點：

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

　　2,、細粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時無法被檢出（反射型傳感器）。

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

　　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,，因此局部溫度不同時,，分界處的反射和折射可能會導致誤動作，風吹時檢出距離也會發(fā)生變化,。因此,，不應在強制通風機之類的設備旁使用傳感器。

　　6,、請勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器,；此區(qū)域的大氣不均勻,。將會產生溫度梯度，從而導致測量錯誤

　　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)常會引出聲納傳感器,，很多人認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和識別水中的物體和水底的輪廓,，聲納傳感器發(fā)出一個聲波信號,，當遇到物體后會反射回來，依據(jù)反射時間及波型去計算它的距離及位置,。聲納傳感器主要用于探測生物,，比如用于探測水底有哪些生物，生物體形有多大等,。經(jīng)常問你聽說的用于探測水怪的裝置就是聲納傳感器,。

　　超聲波對液體、固體的穿透本領很大,，尤其是在不透明的固體中,，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波,，碰到活動物體能產生多普勒效應,。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,，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。超聲波傳感器在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病,，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法,。

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