超聲波傳感器的原理及應(yīng)用（一）

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，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)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(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，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。

超聲波傳感器的組成
超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。

性能指標(biāo)
超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。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，特別是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。

超聲波傳感器主要應(yīng)用
超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說(shuō)明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(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。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來(lái)看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來(lái)，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。

在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。過(guò)去，許多技術(shù)因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無(wú)聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。
1、超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用

超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，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)。因此超聲波 檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測(cè)，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開(kāi)關(guān)，以及 防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表 連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。
2、工作原理

人們能聽(tīng)到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過(guò)20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。
超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。
超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開(kāi)關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開(kāi)關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。
由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超進(jìn)行檢測(cè).而實(shí)際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙?duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。
3、工作程式

若對(duì)發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進(jìn)行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測(cè)倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時(shí)發(fā)出警告。所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)提供聲光并茂的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)警告，其警告表示是探測(cè)到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開(kāi)車，借助倒車障礙報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會(huì)減少，并可以游刃有余地采取必要的動(dòng)作。
4、系統(tǒng)構(gòu)成

由發(fā)送傳感器 ( 或稱波發(fā)送器 ) 、接收傳感器 ( 或稱波接收器 ) 、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械