超声波传感器原理和简介

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1、超声波传感器基 本 介 绍超 声 波 传 感 器 是 利 用 超 声 波 的 特 性 研 制 而 成 的 传 感 器 。 超 声 波 是 一 种振 动 频 率 高 于 声 波 的 机 械 波 ， 由 换 能 晶 片 在 电 压 的 激 励 下 发 生 振 动 产 生 的 ，它 具 有 频 率 高 、 波 长 短 、 绕 射 现 象 小 ， 特 别 是 方 向 性 好 、 能 够 成 为 射 线 而定 向 传 播 等 特 点 。 超 声 波 对 液 体 、 固 体 的 穿 透 本 领 很 大 ， 尤 其 是 在 阳 光 不 透明 的 固 体 中 ， 它 可 穿 透 几 十 米 的 深 度 。 超

2、 声 波 碰 到 杂 质 或 分 界 面 会 产 生 显 著反 射 形 成 反 射 成 回 波 ， 碰 到 活 动 物 体 能 产 生 多 普 勒 效 应 。 因 此 超 声 波 检 测 广泛 应 用 在 工 业 、 国 防 、 生 物 医 学 等 方 面 。 以 超 声 波 作 为 检 测 手 段 ， 必 须 产 生 超 声 波 和 接 收 超 声 波 。 完 成 这 种 功 能 的 装 置 就 是 超 声 波 传 感 器 ， 习 惯 上 称 为 超 声 换 能 器 ， 或 者 超 声 探 头 。 组 成 部 分超 声 波 探 头 主 要 由 压 电 晶 片 组 成 ， 既 可 以 发 射

3、超 声 波 ， 也 可 以 接 收 超 声波 。 小 功 率 超 声 探 头 多 作 探 测 作 用 。 它 有 许 多 不 同 的 结 构 ， 可 分 直 探 头 （ 纵波 ） 、 斜 探 头 （ 横 波 ） 、 表 面 波 探 头 （ 表 面 波 ） 、 兰 姆 波 探 头 （ 兰 姆 波 ） 、双 探 头 （ 一 个 探 头 反 射 、 一 个 探 头 接 收 ） 等 。 性 能 指 标超 声 探 头 的 核 心 是 其 塑 料 外 套 或 者 金 属 外 套 中 的 一 块 压 电 晶 片 。 构 成晶 片 的 材 料 可 以 有 许 多 种 。 晶 片 的 大 小 ， 如 直 径 和

4、 厚 度 也 各 不 相 同 ， 因 此 每个 探 头 的 性 能 是 不 同 的 ， 我 们 使 用 前 必 须 预 先 了 解 它 的 性 能 。 超 声 波 传 感 器的 主 要 性 能 指 标 包 括 ： 超 声 波 传 感 器工 作 频 率工 作 频 率 就 是 压 电 晶 片 的 共 振 频 率 。 当 加 到 它 两 端 的 交 流 电 压 的 频 率 和晶 片 的 共 振 频 率 相 等 时 ， 输 出 的 能 量 最 大 ， 灵 敏 度 也 最 高 。 工 作 温 度由 于 压 电 材 料 的 居 里 点 一 般 比 较 高 ， 特 别 是 诊 断 用 超 声 波 探 头 使

5、 用 超 声 波 传 感 器功 率 较 小 ， 所 以 工 作 温 度 比 较 低 ， 可 以 长 时 间 地 工 作 而 不 失 效 。 医 疗 用 的 超声 探 头 的 温 度 比 较 高 ， 需 要 单 独 的 制 冷 设 备 。 1 灵 敏 度主 要 取 决 于 制 造 晶 片 本 身 。 机 电 耦 合 系 数 大 ， 灵 敏 度 高 ； 反 之 ， 灵 敏度 低 。 主 要 应 用超 声 波 传 感 技 术 应 用 在 生 产 实 践 的 不 同 方 面 ， 而 医 学 应 用 是 其 超 声 波 传 感 器最 主 要 的 应 用 之 一 ， 下 面 以 医 学 为 例 子 说 明

6、 超 声 波 传 感 技 术 的 应 用 。 超 声 波在 医 学 上 的 应 用 主 要 是 诊 断 疾 病 ， 它 已 经 成 为 了 临 床 医 学 中 不 可 缺 少 的 诊 断方 法 。 超 声 波 诊 断 的 优 点 是 ： 对 受 检 者 无 痛 苦 、 无 损 害 、 方 法 简 便 、 显 像 清晰 、 诊 断 的 准 确 率 高 等 。 因 而 推 广 容 易 ， 受 到 医 务 工 作 者 和 患 者 的 欢 迎 。 超声 波 诊 断 可 以 基 于 不 同 的 医 学 原 理 ， 我 们 来 看 看 其 中 有 代 表 性 的 一 种 所 谓 的A 型 方 法 。 这

7、个 方 法 是 利 用 超 声 波 的 反 射 。 当 超 声 波 在 人 体 组 织 中 传 播 遇 到两 层 声 阻 抗 不 同 的 介 质 界 面 是 ， 在 该 界 面 就 产 生 反 射 回 声 。 每 遇 到 一 个 反 射面 时 ， 回 声 在 示 波 器 的 屏 幕 上 显 示 出 来 ， 而 两 个 界 面 的 阻 抗 差 值 也 决 定 了 回声 的 振 幅 的 高 低 。 在 工 业 方 面 ， 超 声 波 的 典 型 应 用 是 对 金 属 的 无 损 探 伤 和 超 声 波 测 厚 两 种 。过 去 ， 许 多 技 术 因 为 无 法 探 测 到 物 体 组 织 内

8、部 而 受 到 阻 碍 ， 超 声 波 传 感 技 术的 出 现 改 变 了 这 种 状 况 。 当 然 更 多 的 超 声 波 传 感 器 是 固 定 地 安 装 在 不 同 的 装置 上 ， “悄 无 声 息 ”地 探 测 人 们 所 需 要 的 信 号 。 在 未 来 的 超 声 波 传 感 器应 用 中 ， 超 声 波 将 与 信 息 技 术 、 新 材 料 技 术 结 合 起 来 ， 将 出 现 更 多 的 智 能 化 、高 灵 敏 度 的 超 声 波 传 感 器 。 超 声 波 距 离 传 感 器 技 术 应 用 超 声 波 对 液 体 、 固 体 的 穿 透 本 领 很 大 ，

9、尤 其 是 在 阳 光 不 透 明 的 固 体 中 ，它 可 穿 透 几 十 米 的 深 度 。 超 声 波 碰 到 杂 质 或 分 界 面 会 产 生 显 著 反 射 形 成 反 射 成 回 波 ， 碰 到 活 动 物体 能 产 生 多 普 勒 效 应 。 因 此 超 声 波 检 测 广 泛 应 用 在 工 业 、 国 防 、 生 物 医 学 等 方 面 。 超 声 波 距 离 传 感 器 可 以 广 泛 应 用 在 物 位 （ 液 位 ） 监 测 ， 机 器 人 防 撞 ， 各种 超 声 波 接 近 开 关 ， 以 及 防 盗 报 警 等 相 关 领 域 ， 工 作 可 靠 ， 安 装 方

10、 便 ， 防 水 型 ， 发 射 夹 角 较 小 ，灵 敏 度 高 ， 方 便 与 工 业 显 示 仪 表 连 接 ， 也 提 供 发 射 夹 角 较 大 的 探 头 。 工 作 原 理人 们 能 听 到 声 音 是 由 于 物 体 振 动 产 生 的 ， 它 的 频 率 在 20HZ-20KHZ 超 声 波 传 感 器范 围 内 ， 超 过 20KHZ 称 为 超 声 波 ， 低 于 20HZ 的 称 为 次 声 波 。 常 用 的 超 声 波频 率 为 几 十 KHZ-几 十 MHZ。 超 声 波 是 一 种 在 弹 性 介 质 中 的 机 械 振 荡 ， 有 两 种 形 式 ： 横 向

11、振 荡 （ 横 波 ）及 纵 和 振 荡 （ 纵 波 ） 。 在 工 业 中 应 用 主 要 采 用 纵 向 振 荡 。 超 声 波 可 以 在 气 体 、液 体 及 固 体 中 传 播 ， 其 传 播 速 度 不 同 。 另 外 ， 它 也 有 折 射 和 反 射 现 象 ， 并且 在 传 播 过 程 中 有 衰 减 。 在 空 气 中 传 播 超 声 波 ， 其 频 率 较 低 ， ， 一 般 为 几 十KHZ， 而 在 固 体 、 液 体 中 则 频 率 可 用 得 较 高 。 在 空 气 中 衰 减 较 快 ， 而 在 液 体及 固 体 中 传 播 ， 衰 减 较 小 ， 传 播 较

12、远 。 利 用 超 声 波 的 特 性 ， 可 做 成 各 种 超 声传 感 器 ， 配 上 不 同 的 电 路 ， 制 成 各 种 超 声 测 量 仪 器 及 装 置 ， 并 在 通 迅 ， 医疗 家 电 等 各 方 面 得 到 广 泛 应 用 。 超 声 波 传 感 器 主 要 材 料 有 压 电 晶 体 （ 电 致 伸 缩 ） 及 镍 铁 铝 合 金 （ 磁 致伸 缩 ） 两 类 。 电 致 伸 缩 的 材 料 有 锆 钛 酸 铅 （ PZT） 等 。 压 电 晶 体 组 成 的 超 声波 传 感 器 是 一 种 可 逆 传 感 器 ， 它 可 以 将 电 能 转 变 成 机 械 振 荡

13、 而 产 生 超 声 波 ，同 时 它 接 收 到 超 声 波 时 ， 也 能 转 变 成 电 能 ， 所 以 它 可 以 分 成 发 送 器 或 接 收 器 。有 的 超 声 波 传 感 器 既 作 发 送 ， 也 能 作 接 收 。 这 里 仅 介 绍 小 型 超 声 波 传 感 器 ，发 送 与 接 收 略 有 差 别 ， 它 适 用 于 在 空 气 中 传 播 ， 工 作 频 率 一 般 为 23-25KHZ及 40-45KHZ。 这 类 传 感 器 适 用 于 测 距 、 遥 超 声 波 传 感 器控 、 防 盗 等 用 途 。 该 种 有 T/R-40-60， T/R-40-12

14、等 （ 其 中 T 表 示 发 送 ， R表 示 接 收 ， 40 表 示 频 率 为 40KHZ， 16 及 12 表 示 其 外 径 尺 寸 ， 以 毫 米 计 ） 。另 有 一 种 密 封 式 超 声 波 传 感 器 （ MA40EI 型 ） 。 它 的 特 点 是 具 有 防 水 作 用（ 但 不 能 放 入 水 中 ） ， 可 以 作 料 位 及 接 近 开 关 用 ， 它 的 性 能 较 好 。 超 声 波 应用 有 三 种 基 本 类 型 ， 透 射 型 用 于 遥 控 器 ， 防 盗 报 警 器 、 自 动 门 、 接 近 开 关 等 ；分 离 式 反 射 型 用 于 测 距

15、、 液 位 或 料 位 ； 反 射 型 用 于 材 料 探 伤 、 测 厚 等 。 由 发 送 传 感 器 (或 称 波 发 送 器 )、 接 收 传 感 器 (或 称 波 接 收 器 )、 控 制 部分 与 电 源 部 分 组 成 。 发 送 器 传 感 器 由 发 送 器 与 使 用 直 径 为 15mm 左 右 的 陶 瓷振 子 换 能 器 组 成 ， 换 能 器 作 用 是 将 陶 瓷 振 子 的 电 振 动 能 量 转 换 成 超 能 量 并向 空 中 辐 射 ； 而 接 收 传 感 器 由 陶 瓷 振 子 换 能 器 与 放 大 电 路 组 成 ， 换 能 器 接 收波 产 生 机

16、 械 振 动 ， 将 其 变 换 成 电 能 量 ， 作 为 传 感 器 接 收 器 的 输 出 ， 从 而 对 发送 的 超 进 行 检 测 .而 实 际 使 用 中 ， 用 发 送 传 感 器 的 陶 瓷 振 子 的 也 可 以 用 做 接收 器 传 感 器 社 的 陶 瓷 振 子 。 控 制 部 分 主 要 对 发 送 器 发 出 的 脉 冲 链 频 率 、 占空 比 及 稀 疏 调 制 和 计 数 及 探 测 距 离 等 进 行 控 制 。 工 作 程 式若 对 发 送 传 感 器 内 谐 振 频 率 为 40KHz 的 压 电 陶 瓷 片 (双 晶 振 子 超 声 波 传 感 器)施 加 40KHz 高 频 电 压 ， 则 压 电 陶 瓷 片 就 根 据 所 加 高 频 电 压 极 性 伸 长 与 缩 短 ，于 是 发 送 40KHz 频 率 的 超 声 波 ， 其 超 声 波 以 疏 密 形 式 传 播 (疏 密 程 度 可 由 控制 电 路 调 制 )， 并 传 给 波