淺談超聲波傳感器的原理及性能指標(biāo)

超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，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)。?數(shù)年前，在傳感器技術(shù)領(lǐng)域，超聲波傳感器一直是備用的選擇。?新技術(shù)使得今天的超聲波傳感器非常堅(jiān)固耐用并有著精確的感應(yīng)能力，這些新增強(qiáng)的特性拓展了新的應(yīng)用領(lǐng)域，完全超越了傳統(tǒng)的超聲波傳感器的應(yīng)用。?

超聲波傳感器的原理及性能指標(biāo)

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(chēng)為超聲換能器，或者超聲探頭。

超聲波傳感器利用傳感器頭部的壓振陶瓷的振動(dòng)，產(chǎn)生高頻人耳聽(tīng)不見(jiàn)的聲波來(lái)進(jìn)行感應(yīng)的，如果這聲波碰到了某個(gè)物體，傳感器就能接收到返回波。?

傳感器通過(guò)聲波的波長(zhǎng)和發(fā)射聲波以及接收到返回聲波的時(shí)間差就能確定物體的距離，一個(gè)傳感器可以通過(guò)按鈕的設(shè)定來(lái)?yè)碛薪嚯x和遠(yuǎn)距離兩種設(shè)定，無(wú)論物體在那一種界限里，傳感器都可以檢測(cè)到。?

有一些超聲波傳感器使用獨(dú)立的發(fā)射器和接收器，當(dāng)檢測(cè)緩慢移動(dòng)的物體，?或者需要快速響應(yīng)或者在潮濕環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，這種對(duì)射式或者叫分離式的超聲波傳感器就非常適用。?在檢測(cè)透明物體、液體，檢測(cè)光滑、粗糙和有光澤的，半透明材料的物體表面，和檢測(cè)不規(guī)則物體時(shí)，超聲波傳感器都是首選。?

超聲波傳感器不適用的情況有：戶(hù)外，極熱的環(huán)境，有壓力的容器內(nèi)，同樣不能檢測(cè)有泡沫的物體。

超聲波傳感器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。?

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，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。?

超聲波傳感器的典型性應(yīng)用

不管你的任務(wù)是在物流行業(yè)，工程機(jī)械，食品和飲料，料位檢測(cè)或自動(dòng)門(mén)和工業(yè)門(mén)檢測(cè)：超聲波傳感器都能為最多樣化的應(yīng)用需求提供解決方案。請(qǐng)看以下9種綜合應(yīng)用實(shí)例，向你展示了超聲波傳感器的多功能性。

超聲波傳感器用于砂礫儲(chǔ)存?zhèn)}的料位監(jiān)測(cè)

散裝的建筑材料是露天開(kāi)采的，如沙子，碎石，礫石。這些材料在深度達(dá)50m處被挖掘，并且必須被妥善儲(chǔ)存直到它們被運(yùn)輸離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)。傳送帶運(yùn)輸這些建筑材料到儲(chǔ)物倉(cāng)。超聲波傳感器確定儲(chǔ)物倉(cāng)是否到達(dá)最大的料位值。

檢測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械的噴桿高度

為確保一致性，最佳的噴灑覆蓋凹凸不平的地形和不同農(nóng)作物高度, 為了防止噴桿影響農(nóng)作物或者土壤，其高度必須連續(xù)地被監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。超聲波傳感器非常適用于這一應(yīng)用，因?yàn)樗皇芑覊m，污物和化學(xué)品的影響，并且對(duì)于檢測(cè)任何顏色的表面具有相同的精度。

高空作業(yè)平臺(tái)的防撞檢測(cè)

可駕駛的高空作業(yè)平臺(tái)在許多建筑工地變得越來(lái)越普及。這些平臺(tái)可以大大方便高空作業(yè)的實(shí)施，有效提高生產(chǎn)效率。然后，由于碰撞引起的嚴(yán)重高空作業(yè)平臺(tái)事故幾乎每天都在發(fā)生，因此安全問(wèn)題不容忽視。超聲波傳感器可以有效地保障這類(lèi)設(shè)備的安全運(yùn)行。

用于噴霧噴嘴的超聲波超感器

為了幫助樹(shù)木保持在最佳狀態(tài)，化學(xué)藥品通過(guò)特殊的噴灑過(guò)程被應(yīng)用到。這些藥品對(duì)于農(nóng)民來(lái)說(shuō)是高成本的。

為了讓收成賣(mài)出合理的價(jià)格，噴灑工作必須盡可能高效。使用超聲波傳感器通過(guò)檢測(cè)檢測(cè)樹(shù)木間的間隙節(jié)省農(nóng)藥。一旦這些間隙被發(fā)現(xiàn)，噴涂過(guò)程會(huì)暫時(shí)停止。

使用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾收集車(chē)的控制

對(duì)于可靠的操作，移動(dòng)設(shè)備需要的傳感器使它可以全天候應(yīng)用在惡劣的條件下。對(duì)這些車(chē)輛來(lái)說(shuō)，極端的溫度，劇烈的顛簸和震動(dòng)是常見(jiàn)的。用于這些車(chē)輛如垃圾收集卡車(chē)上的超聲波傳感器，必須非常的堅(jiān)固可靠,可以保證安全操作。

叉車(chē)托盤(pán)檢測(cè)

物流行業(yè)應(yīng)用通常依賴(lài)于叉車(chē)可靠地運(yùn)送重物到指定地點(diǎn)。倍加福超聲波傳感器在特定區(qū)域內(nèi)監(jiān)控叉車(chē)，確保其準(zhǔn)確性和可靠性。依靠超聲波傳感器，您能決定托盤(pán)是否已上叉車(chē)以及在叉車(chē)托桿插入托盤(pán)底下多深。

印刷電路板輸送線

從智能手機(jī)和家用電器到我們所駕駛的車(chē)，電子-因此印刷電路板（PCBs）-是今天幾乎每個(gè)機(jī)器必不可少的特征。這些印刷電路板是任何設(shè)備的核心，必須被極其小心的處理。超聲波傳感器能幫助控制這些高度敏感的印刷電路板的生產(chǎn)過(guò)程。

飲料灌裝機(jī)采用超聲波傳感器進(jìn)行飲料瓶記數(shù)

在幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)瓶子進(jìn)行檢測(cè)與計(jì)數(shù)，確保了連續(xù)的物流監(jiān)控。對(duì)每只瓶進(jìn)入與離開(kāi)灌裝系統(tǒng)都進(jìn)行優(yōu)化，并可靠地檢測(cè)缺失的瓶子。即使在強(qiáng)烈的蒸汽領(lǐng)域，也能精準(zhǔn)的確保飲料瓶的檢測(cè)。

超聲波傳感器用于閘機(jī)系統(tǒng)的車(chē)輛檢測(cè)

在停車(chē)場(chǎng)和車(chē)庫(kù)，入口使用閘機(jī)系統(tǒng)來(lái)控制。當(dāng)有一個(gè)車(chē)輛在欄桿下面，欄桿不能降下。超聲波傳感器特別適合控制這一過(guò)程。他們檢測(cè)目標(biāo)物不會(huì)受車(chē)輛的型號(hào)或者顏色的影響，在欄桿的下方監(jiān)測(cè)整個(gè)區(qū)域。

超聲波傳感器的創(chuàng)新型應(yīng)用

根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，超聲波傳感器在流量測(cè)量、廢物管理、可預(yù)見(jiàn)性維護(hù)和自動(dòng)駕駛探測(cè)等四大領(lǐng)域爆發(fā)出令人難以置信的創(chuàng)新潛力。

1、更智能的流量測(cè)量

超聲波傳感器技術(shù)的改進(jìn)使它們更加精確和便宜，在減小尺寸的同時(shí)提高了可用性。憑借這些改進(jìn)，它們將成為有效的流量測(cè)量技術(shù)，特別是對(duì)于公用事業(yè)公司。對(duì)水表、燃?xì)獗砗蜔崃勘淼囊嫣庯@而易見(jiàn)。

例如，制造商可以用超聲波傳感器替換掉原來(lái)的機(jī)械式流量計(jì)。超聲波傳感器引人注目的優(yōu)勢(shì)在于它們精度高，且沒(méi)有任何機(jī)械的活動(dòng)部件。即便如此，制造商還必須了解管路設(shè)計(jì)和傳感器的安裝位置，才能充分享受技術(shù)帶來(lái)的好處。

未來(lái)，超聲波技術(shù)將在實(shí)現(xiàn)供能管網(wǎng)現(xiàn)代化方面發(fā)揮重要作用。隨著超聲波傳感器的不斷發(fā)展，它們將使管網(wǎng)更加穩(wěn)健、高效和安全。就目前的趨勢(shì)而言，可以確信這項(xiàng)技術(shù)將有助于“智能管網(wǎng)”的成熟發(fā)展。

2、改善廢物管理

超聲波傳感器的眾多應(yīng)用之一是能夠確定料倉(cāng)中剩余物料的數(shù)量。這些傳感器通過(guò)向容器內(nèi)物質(zhì)的表面水平發(fā)射聲束，然后接收該聲束的反射，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。即使有灰塵也不影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。

通過(guò)這種方式，超聲波傳感器可在廢物管理中發(fā)揮積極作用。通過(guò)戰(zhàn)略性地將傳感器投放到垃圾桶中，市政公司可以改進(jìn)垃圾廢物的收集過(guò)程，減少低效率的操作。這些傳感器還可以防止泄漏或其他意外和傷害事故發(fā)生。

按照當(dāng)前超聲波傳感器技術(shù)的發(fā)展軌跡，它們可能在未來(lái)十年內(nèi)會(huì)廣泛用于廢物管理。隨著傳感器價(jià)格不斷下降，它們的普及程度將不斷提高，這些傳感器也使得市政服務(wù)部門(mén)的職能更簡(jiǎn)單和更有效率。

3、可靠的預(yù)測(cè)性維護(hù)

超聲波傳感器在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。它們可以最小化生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間、提高故障排除能力、增強(qiáng)質(zhì)量控制和安全性。美國(guó)能源部（DOE）甚至建議將超聲波技術(shù)作為泄漏檢測(cè)的首要解決方案之一。

第三方評(píng)估小組就超聲波技術(shù)的價(jià)值潛力在某機(jī)構(gòu)內(nèi)的500多家網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)研。他們發(fā)現(xiàn)在每家網(wǎng)點(diǎn)都有超過(guò)100種應(yīng)用，包括鍋爐、壓縮機(jī)、熱交換器、蒸汽疏水閥、閥門(mén)和其它部件等。經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

通過(guò)安裝超聲波技術(shù)，該機(jī)構(gòu)每年將節(jié)省大約370萬(wàn)美元?？紤]到市場(chǎng)趨勢(shì)，更多的制造商將采用超聲波傳感器進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)，在升級(jí)之前評(píng)估并解決較小的問(wèn)題。

4、增強(qiáng)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的安全性

各種傳感器被用于輔助自動(dòng)駕駛車(chē)輛導(dǎo)航和基本操作。在這些傳感器中，超聲波技術(shù)已經(jīng)與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)集成。超聲波傳感器在傳統(tǒng)車(chē)輛中也有應(yīng)用，用于幫助盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)泊車(chē)。

特斯拉的自動(dòng)駕駛車(chē)輛是超聲波傳感器應(yīng)用的主要案例之一。它們的超聲波傳感器可以感知周?chē)?米的范圍，以保障行駛途中乘客的安全。憑借這種程度的感知意識(shí)，特斯拉汽車(chē)可以有效地降低風(fēng)險(xiǎn)，避免事故發(fā)生。

隨著自動(dòng)駕駛車(chē)輛的逐年改進(jìn)，超聲波傳感器也將隨之發(fā)展。它們將有助于更容易地向自動(dòng)駕駛汽車(chē)過(guò)渡，以及緩解對(duì)潛在探測(cè)問(wèn)題的憂慮。隨著超聲波傳感器效能的不斷發(fā)揮，這項(xiàng)技術(shù)將證明在未來(lái)是不可或缺的。

目前，更多的新一代超聲波傳感器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，利用聲波介質(zhì)對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行非接觸式無(wú)磨損的檢測(cè)，且其檢測(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。??

審核編輯：黃飛

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