深度了解超聲波傳感器的應用場景

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，并且在傳播過程中有衰減。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。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，制成各種超聲測量儀器及裝置。

超聲波應用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。

超聲波的應用

超聲波測厚

用超聲波測量金屬零件的厚度，具有測量精度高、操作簡單、可連續(xù)自動檢測等優(yōu)點。超聲波測厚常用脈沖回波法。此方法的工作原理如圖所示。超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控制器用一定頻率的脈沖信號激勵壓電式探頭，使之產(chǎn)生重復的超聲波脈沖。脈沖被傳到被測工件另一方面時被反射回來，被同一探頭接收。

超聲波測距

空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。

超聲波測物位

存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的位置稱為液位；固體顆粒、粉料、塊料的高度或表面所在位置稱為料位。兩者統(tǒng)稱為物位。

超聲波測量物位是根據(jù)超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而工作的。

根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，超聲波物位傳感器可分為單換能器和雙換能器兩種。單換能器在發(fā)射和接收超聲波時均使用一個換能器，而雙換能器對超聲波的發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。

超聲波傳感器可放置于水中，讓超聲波在液體中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使產(chǎn)生的超聲波脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波傳感器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以實現(xiàn)對物位的測量。

超聲波物位傳感器具有精度高、使用壽命長、安裝方便、不受被測介質(zhì)影響、可實現(xiàn)危險場所的非接觸連續(xù)測量等優(yōu)點。其缺點是：若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會有較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為士0.1% ，測量范圍為10-2-104m。

超聲波測流量

超聲波測量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度不同的特點，從而求得流體的流速和流量。

圖中v為被測流體的平均流速，c為超聲波在靜止流體中的傳播速度，q為超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角( 必須小于 90度),A、B 為兩個超聲波換能器，L為兩者之間距離

超聲波測流量，通常有三種方法：時差法、相位差法和頻率差法。

超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，實現(xiàn)了非接觸測量。它可測流體種類很多，不論是非導電的流體、高黏度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進行測量，還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測量。

超聲波探傷

超聲波無損探傷在工業(yè)制造中被應用，他包括穿透法探傷和反射法探傷。

穿透法探傷：是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。

該方法采用兩個超聲波換能器，分別置于被測工件相對兩個表面，其中一個發(fā)射超聲波，另一個接收超聲波。發(fā)射超聲波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖信號。

當被測工件內(nèi)無缺陷時，接收到的超聲波能量大，顯示儀表指示值大；當工件內(nèi)有缺陷時，部分能量被反射，因此接收到的超聲波能量小，顯示儀表指示值小。根據(jù)這個變化，即可檢測出工件內(nèi)部有無缺陷。

反射法探傷：是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。

測試時，將超聲波探頭放于被測工件上，并在工件上來回移動進行檢測。由高頻脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖(發(fā)射脈沖T) 加在超聲波探頭上，激勵其產(chǎn)生超聲波。探頭發(fā)出的超聲波以一定速度向工件內(nèi)部傳播。其中，一部分超聲波遇到缺陷時反射回來，產(chǎn)生缺陷脈沖F，另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面后也反射回來，產(chǎn)生底脈沖B。缺陷脈沖F和底脈沖B被探頭接收后變?yōu)殡娒}沖，并與發(fā)射脈沖T一起經(jīng)放大后，最終在顯示器熒光屏上顯示出來。

多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)而進行探傷的方法。超聲波探頭發(fā)出的超聲波由被測工件底部反射回超聲波探頭時，其中一部分超聲波被探頭接收，而剩下部分又折回工件底部，如此往復反射，直至聲能全部衰減完為止。

超聲波探傷是目前應用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測內(nèi)部幾米深的缺陷，這是x光探傷所達不到的深度。

超聲波清洗

當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)生一定的負壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當強的聲波信號作用于液體時，則會對液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時，液體中每個氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導體、機械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。

結(jié)合了超聲波傳感器的一些基本的應用功能，我們來看看在各行業(yè)中的應用場景：

超聲波傳感器在機器人自主避障中的應用

伴隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能的發(fā)展，移動機器的避障及自主導航技術(shù)已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。移動機器人的自主尋路要求已經(jīng)從之前簡單的功能實現(xiàn)提升到可靠性、通用性、高效率上來，因此對其相關技術(shù)提出了更高的要求。

采用超聲波傳感器的自主避障機器人小車

實現(xiàn)機器人自主導航有個基本要求：避障。實現(xiàn)避障與導航的必要條件是環(huán)境感知， 需要通過傳感器獲取周圍環(huán)境信息，包括障礙物的尺寸、形狀和位置等信息，因此傳感器技術(shù)在移動機器人避障中起著十分重要的作用。

避障使用的傳感器主要有超聲波傳感器、視覺傳感器、紅外傳感器、激光傳感器等。

超聲波傳感器檢測避障檢測原理

超聲波傳感器檢測距離原理是：測出發(fā)出超聲波至再檢測到發(fā)出的超聲波的時間差，同時根據(jù)聲速計算出物體的距離。由于超聲波在空氣中的速度與溫濕度有關，在比較精確的測量中，需把溫濕度的變化和其它因素考慮進去。

超聲波傳感器一般作用距離較短，普通的有效探測距離都在5到10米之間，但是會有一個最小探測盲區(qū)，一般在幾十毫米。由于超聲傳感器的成本低，實現(xiàn)方法簡單，技術(shù)成熟，是移動機器人中常用的傳感器。

超聲波傳感器解決飛機高空結(jié)冰探測的難題

加拿大針對飛機的高空結(jié)冰，研發(fā)了兩種冰粒探測技術(shù)，并被加拿大國家研究理事會（NRC）認可準備轉(zhuǎn)入工業(yè)應用。

超聲波積冰傳感探測，可用于飛機積冰探測

由云層中的液態(tài)水引起的飛機結(jié)冰已經(jīng)困擾了航空界數(shù)十年，最近的研究，則集中在云層中航空氣象雷達無法發(fā)現(xiàn)的冰晶帶來的危險，高度集聚的冰晶，會影響發(fā)動機工作并阻塞空速管。NRC表示，目前還沒有可靠的傳感器能夠提供對積冰的早期警示，而超聲波裝置可以彌補這一缺失。

這種超聲波傳感器采用無損貼片形式安裝，體積小、輕薄且低功。采用超聲波形式可以同時作為揚聲器和收音器，通過對結(jié)構(gòu)表面或壁面發(fā)送聲波，可被積冰反射回來，從而反映另一面的積冰數(shù)據(jù)。

NRC表示，這種超聲波裝置不需安裝在被監(jiān)測環(huán)境中。它可以用在發(fā)動機或飛機部件的任一非暴露表面，消除了傳感器因為冰、拆卸或穿透發(fā)動機而損傷的風險。當除冰人員知道發(fā)動機上那些位置容易結(jié)冰，就可以縮小監(jiān)測范圍，這樣當把傳感器安裝在氣流通道另一側(cè)壁面的合適位置時，就可以探測是否發(fā)生積冰了。

超聲波傳感器 能夠在真實的發(fā)動機結(jié)冰環(huán)境下探測到冰粒積聚，并且傳感器還具有足夠的敏感度區(qū)分積聚的輕重程度，能有效測量積聚強度。單個超聲波傳感器對于探測是否結(jié)冰就已經(jīng)足夠，但由于尺寸、重量和功耗都很小，NRC認為可以安裝多個探測器組成的陣列，這樣就可以提供冰層覆蓋范圍的詳細數(shù)據(jù)。

超聲波傳感器的測距在智能泊車中的應用

汽車的倒車雷達應用了超聲波測距系統(tǒng)，目前有兩種常用的超聲波測距方案。一種是基于單片機或者嵌入式設備的超聲波測距系統(tǒng)，一種是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超聲波測距系統(tǒng)。

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。首先，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間T秒，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離L，即：L= C×T /2 。這就是所謂的時間差測距法。

由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

超聲波波速與溫度的關系

由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為倒車距離測量的理想選擇。

超聲波傳感器用于智能手機的指紋認證

通過微納機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)開發(fā)的傳感器具備超聲波發(fā)送器和接收器的二維陣列，利用照射到指尖的超聲波的反射來讀取指紋。在手指沾水的狀態(tài)下也能準確讀取，而且在有人企圖利用印有指紋的紙張等進行作弊認證時，也可以識穿。還能進行距離手指表面幾百μm左右的深層掃描。

指紋傳感器部分的超聲波收發(fā)陣列在4.73mm×3.25mm的MEMS芯片上形成，重疊在讀取用CMOS IC上。超聲波收發(fā)陣列上鋪設了保護用PDMS膜。利用縱排110×橫排56個壓電元件來發(fā)送和接收超聲波。壓電元件以43μ的縱間距和58μm的橫間距來配置。為了準確讀取波峰和波谷的間距為數(shù)百μm的指紋，將超聲波頻率設置成了14MHz。這是可防止超聲波束擴散、而且不易在PDMS和皮膚上衰減的最佳頻率值。

讀取指紋時，利用了PDMS與指尖的邊界、以及指尖表皮與皮下組織的邊界的超聲波反射。在指紋中，與PDMS接觸的波峰部分和與空氣層接觸的波谷部分在反射特性上大不相同。這樣便可利用反射波來識別指紋。而且，還可利用表皮與皮下組織的邊界產(chǎn)生的反射波，來識穿印有偽造指紋的紙張等。

形成超聲波收發(fā)陣列的壓電元件是通過在下部帶微腔的硅薄膜上設置壓電材料而形成的，可施加電壓使其發(fā)生振動。讀取時，可以讀取因振動而發(fā)生的電壓變化。為了減小讀取時的噪聲，在各元件旁邊設置了沒有微腔、無法接收超聲波的虛擬元件。將兩種元件收到的超聲波以外的信號視為噪聲，利用差動電路來消除。

超聲波傳感器在醫(yī)學上的應用

超聲波在醫(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。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當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。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。

在現(xiàn)實生活中，我們不難發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器的應用身影。隨著科技水平的高速發(fā)展，超聲波傳感器的使用范圍也愈來愈廣泛。在人類發(fā)展史上，超聲波傳感器的應用無處不在，只要人類可以想象到的地方，它都能涉足一腳。