超聲波傳感器的結構與工作原理解析

一、原理簡述：

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻 率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，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。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面以超聲波作為檢測手段，必須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，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。

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作用。它有許多不同的結構，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（一個探頭反射、一個探頭接收）等。

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，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標，包括；

（1）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。

（2）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。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

二、結構與工作原理

超聲波距離傳感器可以廣泛應用在物位（液位）監(jiān)測，機器人防撞，各種超聲波接近開關，以及防盜報警等相關領域，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。

1、超聲波測距儀：

HpAWK超高能聲波測距技術HpAWK系列產品使超聲波測距技術有了重大的突破，它不僅拓寬了超聲波測距技術的應用場合（適用極惡劣工的工作環(huán)境），而且使用智能調節(jié)技術，大大提高了超聲波產品的可靠性及性能指標，讓用戶使用無后顧之憂 。 。

優(yōu)秀的回波處理技術，5－50KHZ的超高強發(fā)波頻率使HAWK物位計最大量程可達到0米，適用介質溫度為–20℃— +175℃。智能的全自動調節(jié)發(fā)波頻率，自動的溫差補償功能使其工作更加穩(wěn)定可靠。HpAWK系列產品還擁有靈活多變的工作方式（供電電源可為VDC、24VDC、110VAC、220VAC;二/三/四線制同一儀表中可隨意組合。它還擁有先進的遠程GSM、CDMA、互聯網調試功能，使得用戶隨時可以得到技術支持。

HpAWK產品以它尖端的技術穩(wěn)定可靠的工作質量，在化工、電力、冶金、煤礦、碼頭、水處理、輕工及食品衛(wèi)生等行業(yè)得到廣泛的應用。

2、超聲波探魚器：

超聲波測量技術其原理很簡單，說得高檔點的名稱叫“多普拉效應”，山村孩童便叫“回音”，就如在一山谷叫一聲“你好嗎”，不一會聽見好像有人學你的說話一樣“你。..好。..嗎。..”。人們正由此點，開發(fā)出超聲波測量技術。像自然界中，以蝙蝠都可算為代表了，在蝙蝠洞里既要覓食，又要用聲波測距，而要在洞內用超聲波測距是一件很困難的事情，很先進的科技產品也做不到。在空中，當聲音鼓動空氣而向前傳遞訊息時，遇到大小不同、軟硬不一的物體時，其會產生相應強弱的反射聲音，而我們以咪高峰接收此反彈回來的聲音，計算其反彈的時間差距，從而可了解前面物體與你的距離，由其反彈的強弱，得知物體的大小，此為超聲波在空中測量的應用原理，一如在機場使用的雷達。

在水中的情況便有分別，因為水的密度與空氣的密度明顯不同，同樣強度的聲音，水中傳遞和空中傳遞，完全是兩碼子的事，故此我們在水中使用超聲波探測，先決條件是功率要強大，才能有反彈回來的訊號。1950年代，美國海軍的潛艇搜尋技術已充分發(fā)展，要搜尋潛艇已不容易，更何況比潛艇小得多的魚，要從中取得突破，必先從超聲波的特性中，找出其奧妙。原來除了功率強大外，其頻率高低亦具決定性，而接收訊號后的分析技術，更不容缺少。要在眾多訊號中分辨出合適的數據是相當困難的。正因如此，在往后美國民間的不斷開發(fā)，才漸漸開始有捕魚船安裝了專為搜魚的超聲波探魚器。而直至目前為止，海洋中使用的超聲波探測技術，無論是理論或產品，都以美國為主，后起之日本及德國，亦是近年來才能加入。

至于中國，在2001年的國際產品展覽會中，才有這方面的產品，填補這方面的空白，這就是香港金時（科技）公司，不斷努力研制并生產的便攜式探魚器。且與國外主要品牌并駕齊驅，成為真正的高新技術之便攜式探魚器。

在醫(yī)學檢測上的應用：B超

用于檢測液位的超聲波傳感器：

聲波漫反射式接近傳感器用于檢測液位；

聲波反射式設計用于檢測遠處的目標；

聲波接近傳感器可有模擬量輸出，可適用于精確的連續(xù)控制。；

模擬量輸出信號和被測物距離的線性斜率可調，滿足各種控制要求；

聲波接近傳感器可有兩個開關點設置，并可通過按鈕方便的設置；

方形和原柱形設計滿足不同的現場安裝要求。

3、超聲波傳感器在質檢方面的應用——超聲波探傷儀

超聲波探傷儀主要應用于金屬工件內部的質量檢測，如檢測金屬是否有氣泡，焊接部位是否有未焊透等缺陷等。現以超聲波電子束焊縫檢測系統(tǒng)為例來說明超聲波探傷儀的應用：

三、超聲波傳感器應用前景展望

隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應用越來越廣。在人類文明的歷次產業(yè)革命中，傳感技術一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個技術和應用領域的關鍵技術，在人們可以想象的所有領域中，它幾乎無所不在。傳感器是世界各國發(fā)展最快的產業(yè)之一，在各國有關研究、生產、應用部門的共同努力下，傳感器技術得到了飛速的發(fā)展和進步。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的傳感技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產業(yè)領域。

展望未來，超聲波傳感器作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波傳感器將與自動化智能化接軌，與其他的傳感器集成和融合，形成多傳感器。

隨著傳感器的技術進步，傳感器將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在以后的發(fā)展里，面貌一新的傳感器將發(fā)揮更大的作用。
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