超聲波傳感器
超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）的傳感器。超聲波是振動(dòng)頻率高于20KHz的機(jī)械波。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，尤其是在陽光不透明的固體中。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)。超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
常用的超聲波傳感器由壓電晶片組成，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)探頭發(fā)射、一個(gè)探頭接收）等。
超聲波傳感器的應(yīng)用
傳感器：“能感受規(guī)定的被測(cè)量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用
信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。
目前對(duì)傳感器尚無一個(gè)統(tǒng)一的分類方法，但比較常用的有如下三種：
1、按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器
2、按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。
3、按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開關(guān)量（“1”和“0”或“開”和“關(guān)”）的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。
在這里，主要給大家介紹一種在日常生活中運(yùn)用非常廣泛的，給人類社會(huì)帶來很大便利的傳感器——超聲波傳感器以及其在倒車?yán)走_(dá)上的應(yīng)用。
超聲波傳感器基本介紹
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。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。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。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)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(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。超聲波傳感器由發(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幅射;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)送的超聲波進(jìn)行檢測(cè)?？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。
超聲波傳感器工作原理
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。 聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動(dòng)頻率大于20000Hz以上的聲波，其每秒的振動(dòng)次數(shù)很高，超出了人耳聽覺的上限，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。
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）及縱向振蕩（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，并且在傳播過程中有衰減。
超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性──超聲波的衍
射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長(zhǎng)越短，這一特性就越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。空化作用──當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體微粒的劇烈振動(dòng)，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。
超聲波的特點(diǎn)：
（1）超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中;
（2）超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離;（3）超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。
超聲波傳感器的應(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。
1.超聲波距離傳感器技術(shù)的應(yīng)用
超聲波傳感器包括三個(gè)部分：超聲換能器、處理單元和輸出級(jí)。首先處理單元對(duì)超聲換能器加以電壓激勵(lì)，其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波，接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)，處理單元對(duì)接收到的超聲波脈沖進(jìn)行分析，判斷收到的信號(hào)是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是，就測(cè)量超聲波的行程時(shí)間，根據(jù)測(cè)量的時(shí)間換算為行程，除以2，即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置，對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物變化方向發(fā)射超聲波，就可測(cè)量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波;而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
2.超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(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)受檢者無痛苦、無損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。
3.超聲波傳感器在測(cè)量液位的應(yīng)用
超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測(cè)液體，屬于非接觸式測(cè)量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng);（2）其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。
4.超聲波傳感器在測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用
超聲測(cè)距大致有以下方法：
①取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 （其幅值基本固定）與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離;
②測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t，故被測(cè)距離為 S=1/2vt。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。
5.超聲波傳感器在工業(yè)方面的應(yīng)用
在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o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。超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢查零件缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波來，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。
超聲波傳感器在倒車?yán)走_(dá)上的應(yīng)用
倒車?yán)走_(dá)全稱叫“倒車防撞雷達(dá)”，也叫“泊車輔助裝置”，是汽車泊車或者倒車時(shí)的安全輔助裝置，由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器（或蜂鳴器）等部分組成。能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。
倒車?yán)走_(dá)是根據(jù)蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會(huì)與任何障礙物相撞的原理設(shè)計(jì)開發(fā)的。探頭裝在后保險(xiǎn)杠上，根據(jù)不同價(jià)格和品牌，探頭有二、三、四、六、八只不等，分別管前后左右。探頭以45度角輻射，上下左右搜尋目標(biāo)。它最大的好處是能探索到那些低于保險(xiǎn)杠而司機(jī)從后窗難以看見的障礙物，并報(bào)警，如花壇、蹲在車后玩耍的小孩等。倒車?yán)走_(dá)的顯示器裝在后視鏡上，它不停地提醒司機(jī)車距后面物體還有多少距離，到危險(xiǎn)距離時(shí)，蜂鳴器就開始鳴叫，讓司機(jī)停車。擋位桿掛入倒擋時(shí)，倒車?yán)走_(dá)自動(dòng)開始工作，測(cè)距范圍達(dá)0.3到2.0米左右，故在停車時(shí)，對(duì)司機(jī)很實(shí)用。
倒車?yán)走_(dá)就相當(dāng)于超聲波探頭，從整體上來說超聲波探頭可以分為兩大類：一是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，其二是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，鑒于目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，它有兩個(gè)電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)兩極外加脈沖信號(hào)，它的頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時(shí)，壓力晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，將機(jī)械的能轉(zhuǎn)為電信號(hào)的這一過程，這就成了超聲波探頭的工作原理。
為了更好地研究超聲波和利用起來，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造出很多超聲波發(fā)聲器，超聲波探頭加以運(yùn)用在使用汽車倒車?yán)走_(dá)上。這種原理用在一種非接觸檢測(cè)技術(shù)上，用于測(cè)距來說其計(jì)算簡(jiǎn)單，方便迅速，易于做到實(shí)時(shí)控制，距離準(zhǔn)確度達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。倒車?yán)走_(dá)用于測(cè)距上，在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波信號(hào)，在遇到被測(cè)物體后的射回信號(hào)波，被倒車?yán)走_(dá)接收到，得用在超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收回波信號(hào)這一個(gè)時(shí)間而計(jì)算出在介質(zhì)中的傳播速度，這就可以計(jì)算出探頭與被探測(cè)到的物體的距離。
在人類文明的歷次產(chǎn)業(yè)革命中，傳感技術(shù)一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個(gè)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在人們可以想象的所有領(lǐng)域中，它幾乎無所不在。
隨著傳感器的技術(shù)進(jìn)步，傳感器將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)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。在滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求里，面貌一新的傳感器將發(fā)揮更大的作用。