超聲波傳感器是一種將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為其他能量信號(hào)的傳感器。它由四個(gè)部分組成:發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制部分和電源。對(duì)于不同材料制成的超聲波探頭，在使用前應(yīng)了解其性能，包括工作原理、工作過(guò)程、靈敏度、指向性等�；�于超聲波的特性，超聲波傳感器廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療、家用電器等領(lǐng)域。

一、超聲波傳感器結(jié)構(gòu)

      超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為其他能量信號(hào)(通常是電信號(hào))的傳感器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。

      超聲波傳感器主要由以下四部分組成:

1. 發(fā)射機(jī)

超聲波是通過(guò)振蕩器的振動(dòng)產(chǎn)生的(一般是陶瓷制品，直徑約為15mm)，并輻射到空氣中。

2. 接收機(jī)

 當(dāng)超聲波振蕩器接收到超聲波時(shí)，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)，并將超聲波轉(zhuǎn)化為電能作為接收機(jī)的輸出。

3.控制部分

它使用集成的超聲波傳感器電路來(lái)控制發(fā)射機(jī)的超聲波發(fā)射，并確定接收信號(hào)的大小以及接收器是否已經(jīng)接收到信號(hào)(超聲波)。

4. 電力供應(yīng)

超聲波傳感器通常由12V±10% or 24V±10%;10%的外部直流電源供電，由內(nèi)部穩(wěn)壓電路供電給傳感器。

二、績(jī)效指標(biāo)

      超聲波探頭的核心是塑料或金屬包裝中的壓電芯片。一個(gè)芯片可以由很多種材料制成，而芯片的尺寸，如直徑和厚度也不同，因此每種探頭的性能也不同。因此，在使用它之前一定要提前了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括:

1. 工作頻率

工作頻率為壓電芯片的諧振頻率。當(dāng)交流電壓的超聲波傳感器頻率等于芯片的共振頻率時(shí)，能量輸出最大，靈敏度最高。

2. 工作溫度

一般情況下，由于壓電材料的居里點(diǎn)較高，特別是用于診斷的使用功率較低的超聲探頭。所以工作溫度相對(duì)較低，探頭可以長(zhǎng)時(shí)間工作而不出現(xiàn)故障。醫(yī)用超聲探頭溫度較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。

3.靈敏度

這主要取決于芯片的制造。機(jī)電耦合系數(shù)越大，靈敏度越高，反之，靈敏度越低。

4. 方向性

超聲波傳感器的檢測(cè)范圍

三、超聲波傳感器的工作

1. 超聲波

什么是超聲波?

首先，要注意超聲波的頻率范圍。我們聽(tīng)到的聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的，其頻率在20Hz-20KHz之間。頻率大于20KHz的聲音稱(chēng)為超聲波或超聲波，頻率小于20Hz的聲音稱(chēng)為次聲波。常用的超聲波頻率從幾十千赫到幾十兆赫。

超聲波是彈性介質(zhì)中的一種機(jī)械振蕩，有橫波和縱波兩種形式。它可以以不同的超聲波速度在氣體、液體和固體中傳播。此外，它還具有折射和反射現(xiàn)象，并在傳播過(guò)程中有衰減。

      如果超聲波在空氣中傳播，其頻率較低，一般為幾十千赫，而在固體和液體中，頻率較高。而且，在空氣中衰減快，而在液體和固體中衰減小，傳播距離長(zhǎng)。

      基于超聲波的特性，可以用超聲波傳感器制成超聲波測(cè)量裝置，廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療和家用電器等領(lǐng)域。

      超聲波傳感器的主要材料是壓電晶體(電致伸縮)和鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)。壓電式超聲波傳感器是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振蕩產(chǎn)生超聲波的可逆?zhèn)鞲衅�。同時(shí)，在接收到超聲波時(shí)，還能將其轉(zhuǎn)化為電能。

2. 超聲波傳感器的工作原理

      如果對(duì)變送器中的壓電陶瓷板(雙晶振蕩器)施加高頻電壓，壓電陶瓷板將根據(jù)電壓的極性被拉長(zhǎng)或縮短。超聲波以密度的形式傳播到接收機(jī)(密度程度可由控制電路調(diào)制)。

      超聲波接收器利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)原理。在我們對(duì)壓電元件施加壓力后，應(yīng)變發(fā)生，并產(chǎn)生一個(gè)正弦電壓，一側(cè)是“+”極，另一側(cè)是“-”極。由于高頻的振幅很小，必須將其放大。

四、超聲傳感器應(yīng)用

1. 主要應(yīng)用

      超聲波系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)方面，醫(yī)療應(yīng)用是其主要應(yīng)用之一。

      在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超聲傳感器主要用于疾病診斷，已成為臨床醫(yī)學(xué)不可或缺的診斷方法。

       超聲診斷的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)疼痛、無(wú)損傷、方法簡(jiǎn)單、成像清晰、診斷準(zhǔn)確率高。因此易于推廣，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。

      在工業(yè)上，超聲波傳感器的典型應(yīng)用是金屬的無(wú)損檢測(cè)和超聲波測(cè)量。

       在過(guò)去，許多技術(shù)的發(fā)展由于無(wú)法檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而受到阻礙。超聲傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。許多超聲波傳感器現(xiàn)在安裝在不同的設(shè)備上，“無(wú)聲地”探測(cè)人們需要的信號(hào)。

       在未來(lái)的應(yīng)用中，結(jié)合信息技術(shù)和新材料技術(shù)，將出現(xiàn)更加智能、靈敏度更高的超聲傳感器。

2. 特定的應(yīng)用程序

(1)超聲波傳感器可用于檢測(cè)集裝箱狀態(tài)。它們可以安裝在塑料熔體罐或塑料造粒室的頂部。當(dāng)聲波被發(fā)送到容器時(shí)，我們可以用超聲波傳感器分析容器的狀態(tài)，如滿(mǎn)、空或半滿(mǎn)。

(2)超聲波傳感器可用于檢測(cè)透明物體、液體、表面粗糙、光滑或輕的致密材料和不規(guī)則物體。不適用于戶(hù)外、高溫環(huán)境、壓力罐和泡沫物體。

(3)超聲波傳感器可用于食品加工廠(chǎng)，實(shí)現(xiàn)塑料包裝檢測(cè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用這項(xiàng)新技術(shù)，可以在洗瓶機(jī)等潮濕環(huán)境、噪音環(huán)境以及溫度變化較大的環(huán)境中進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

(4)超聲波傳感器可以像距離傳感器一樣用于液位檢測(cè)、張力控制和超聲波測(cè)距，主要用于包裝、制瓶、物料輸送、煤炭檢驗(yàn)、塑料加工和汽車(chē)工業(yè)。它們還可以用于過(guò)程監(jiān)控，以檢測(cè)缺陷和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

五、運(yùn)行中存在的問(wèn)題及注意事項(xiàng)

      超聲波傳感器的應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，傳感器的成本也很低。然而，超聲波傳感器在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，如反射問(wèn)題、噪聲和交叉干擾。

1. 反映的問(wèn)題

      如果物體始終處于正確的角度，超聲波傳感器將獲得正確的角度。不幸的是，在實(shí)踐中，能夠正確檢測(cè)到的對(duì)象非常少�？赡軙�(huì)出現(xiàn)以下幾種錯(cuò)誤:

(1)三角誤差

當(dāng)物體與傳感器呈一定角度時(shí)，檢測(cè)到的距離與實(shí)際距離之間存在三角形誤差。

(2)鏡面反射

在一定的角度，發(fā)出的聲波會(huì)被光滑的物體反射出去，所以沒(méi)有回聲，也無(wú)法讀取距離。在這種情況下，超聲波傳感器將“對(duì)象。

(3)多重反射

       當(dāng)我們檢測(cè)到拐角或類(lèi)似結(jié)構(gòu)時(shí)，這種現(xiàn)象更常見(jiàn)。聲波在被傳感器接收到之前要來(lái)回反彈幾次，所以實(shí)際檢測(cè)到的值并不是真實(shí)的距離值。這一問(wèn)題可以通過(guò)以一定角度排列多個(gè)超聲波環(huán)來(lái)解決。通過(guò)檢測(cè)多個(gè)超聲波的返回值，我們可以篩選出正確的讀數(shù)。

2. 噪音

       雖然大多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率在40Khz到45Khz之間，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類(lèi)能聽(tīng)到的頻率。但是周?chē)�環(huán)境中存在著頻率相近的噪聲，比如電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的高頻噪聲或者車(chē)輪在堅(jiān)硬地面上摩擦產(chǎn)生的高頻噪聲，以及機(jī)器人自身的震動(dòng)甚至其他機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，都會(huì)導(dǎo)致傳感器接收到錯(cuò)誤的信號(hào)。

       為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼。例如，我們可以發(fā)送不同長(zhǎng)度的聲波，只有當(dāng)探頭探測(cè)到相同的聲波組合時(shí)，才能計(jì)算出距離。這樣可以有效避免環(huán)境噪聲造成的誤讀。

3.交叉干擾

      當(dāng)多個(gè)超聲傳感器以一定角度安裝在機(jī)器人上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交叉干擾。超聲波X發(fā)出的聲波經(jīng)過(guò)鏡面反射后，被傳感器Z和傳感器y接收到。2個(gè)超聲波距離傳感器會(huì)根據(jù)這個(gè)信號(hào)計(jì)算出距離，因此無(wú)法得到正確的測(cè)量結(jié)果。解決方案是對(duì)每個(gè)傳感器發(fā)出的超聲波信號(hào)進(jìn)行編碼，讓每個(gè)超聲波傳感器“聽(tīng)到”;只有它自己的聲音。

預(yù)防措施

(1)為保證可靠性和長(zhǎng)壽命，請(qǐng)勿在室外或額定溫度以上使用超聲波傳感器。

(2)由于超聲波傳感器以空氣為傳輸介質(zhì)，當(dāng)局部溫度不同時(shí)，邊界處的反射和折射可能導(dǎo)致故障。風(fēng)吹時(shí)，超聲波探測(cè)距離也會(huì)發(fā)生變化。因此，傳感器不應(yīng)使用在強(qiáng)制風(fēng)機(jī)等設(shè)備旁邊。

(3)噴嘴噴射的空氣頻率多種多樣，會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生影響，不宜在傳感器附近使用。

(4)傳感器表面有水滴會(huì)縮短檢測(cè)距離。

(5)聲音被吸收時(shí)，細(xì)小的粉末和棉花等材料檢測(cè)不到(反射傳感器)。

(6)請(qǐng)勿在真空或防爆區(qū)域使用傳感器。

(7)請(qǐng)勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器。這些地區(qū)的大氣不均勻，會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致測(cè)量誤差。

超聲波傳感器檢測(cè)

1. 檢測(cè)模式

      超聲波傳感器主要采用直接反射的檢測(cè)方式。傳感器前面的物體將所發(fā)射的聲波部分傳回接收器，從而被傳感器檢測(cè)到。

      還有一些超聲波傳感器使用雙射模式。雙射超聲傳感器由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，兩者連續(xù)保持聯(lián)系。彼此之間。接收器和發(fā)射器之間的物體會(huì)阻擋發(fā)射的聲波，傳感器會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。

2. 探測(cè)范圍

      超聲波傳感器的探測(cè)范圍取決于波長(zhǎng)和頻率。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小，探測(cè)距離越長(zhǎng)。例如，毫米波長(zhǎng)緊湊型傳感器的檢測(cè)范圍為300 ~ 500mm, 5mm波長(zhǎng)傳感器的檢測(cè)超聲波范圍為8m。

      有些傳感器的聲波發(fā)射角度較窄，因此更適合于精確探測(cè)相對(duì)較小的物體。其他聲波發(fā)射角度為12 ~ 15的傳感器可以探測(cè)到傾角較大的物體。

3.檢測(cè)方法

      根據(jù)被測(cè)物體的體積、材質(zhì)、是否可移動(dòng)等特點(diǎn)，采用不同的檢測(cè)方法。常見(jiàn)的檢測(cè)方法有四種:

(1)穿透:超聲波發(fā)射器和接收器位于兩側(cè)，當(dāng)物體經(jīng)過(guò)它們之間時(shí)，可以根據(jù)檢測(cè)到的超聲波衰減(或遮擋)來(lái)檢測(cè)。

(2)有限距離型:發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位于同一側(cè)。當(dāng)物體在限定距離內(nèi)經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)根據(jù)反射的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。

(3)限定距離型:發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位于限定超聲波測(cè)距的中心，反射器位于限定距離的邊緣。以不遮擋物體的反射波衰減值作為參考值。

當(dāng)物體在限定范圍內(nèi)通過(guò)時(shí)，根據(jù)反射波的衰減進(jìn)行檢測(cè)(將衰減值與參考值進(jìn)行比較)。

(4)回歸反射型:發(fā)射機(jī)與接收機(jī)位于同一側(cè)，以探測(cè)物體(平面物體)為反射面。根據(jù)反射波的衰減來(lái)檢測(cè)物體。

超聲波傳感器與聲納傳感器

      聲納傳感器和超聲波傳感器是2種常見(jiàn)的探測(cè)設(shè)備，很多人認(rèn)為兩者是一樣的，但事實(shí)并非如此。

      聲納傳感器直接探測(cè)和識(shí)別水中物體和水下波浪輪廓。它會(huì)發(fā)出聲波信號(hào)，當(dāng)它遇到物體時(shí)會(huì)被反射。它的距離和位置可以根據(jù)反射時(shí)間和波型來(lái)計(jì)算。

      聲傳感主要用于探測(cè)生物，比如水里有什么，它有多大，等等。用來(lái)探測(cè)水怪的設(shè)備是聲納傳感器。

      超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，是由換能器芯片在電壓激勵(lì)下振動(dòng)而產(chǎn)生的。它頻率高，波長(zhǎng)短，衍射現(xiàn)象小，指向性好，可以變成射線(xiàn)進(jìn)行定向傳播。

      超聲波可以穿透液體、固體，甚至可以穿透幾十米深的不透明固體。當(dāng)波與雜質(zhì)或界面接觸時(shí)，會(huì)有明顯的反射形成反射回波，接觸運(yùn)動(dòng)物體時(shí)會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)。因此，超聲檢測(cè)在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

      超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制的一種傳感器。

      在工業(yè)上，超聲波的典型應(yīng)用是金屬的無(wú)損檢測(cè)和超聲波測(cè)厚。超聲傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，已成為臨床醫(yī)學(xué)中不可或缺的診斷方法