超聲波傳感器

什么是超聲波傳感器？

超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其它能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波。它具有頻率高、波長短、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。超聲波對液體、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)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、***防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

組成部分

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（***個探頭發(fā)射、***個探頭接收）等。

性能指標(biāo)

超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的***塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個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：

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，輸出的能量***大，靈敏度也***高。

工作溫度

由于壓電材料的居里點***般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。

靈敏度

主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

指向性

超聲波傳感器探測的范圍

相關(guān)應(yīng)用

主要應(yīng)用

超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其***主要的應(yīng)用之***，下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)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)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來看看其中有代表性的***種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到***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。

在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(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。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。

超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用

超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。

超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、***防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測，機器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。

具體應(yīng)用

***、超聲波傳感器可以對集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測。將超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部，向集裝箱內(nèi)部發(fā)出聲波時，就可以據(jù)此分析集裝箱的狀態(tài)，如滿、空或半滿等。

二、超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規(guī)則物體。但不適用于室外、酷熱環(huán)境或壓力罐以及泡沫物體。

三、超聲波傳感器可以應(yīng)用于食品加工廠，實現(xiàn)塑料包裝檢測的閉環(huán)控制系統(tǒng)。配合新的技術(shù)可在潮濕環(huán)如洗瓶機、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進(jìn)行探測。 [1]

四、超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料，控制張力以及測量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗煤的設(shè)備運、塑料加工以及汽車行業(yè)等。超聲波傳感器可用于流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。

使用超聲波傳感器技術(shù)防止踩錯踏板

日產(chǎn)汽車開發(fā)出了防止在要踩剎車時誤踩成油門而使車輛加速的功能，使用攝像頭和超聲波傳感器推斷出“要在停車場上停車”的情況時，如果駕駛員踩成了油門就會強制剎車。該技術(shù)預(yù)定在2～3年內(nèi)實用化。超聲波傳感器技術(shù)就是為了防止在停車場停車時踩錯剎車和油門造成事故而開發(fā)的。

該技術(shù)是使用在車輛前后左右各配備***個的四個攝像頭和前保險杠、后保險杠各配備四個共八個超聲波傳感器實現(xiàn)的。4個攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環(huán)視顯示器”的攝像頭。利用攝像頭識別出白線等以推斷汽車位于停車場，利用超聲波傳感器測量出汽車與周圍障礙物之間的距離來確定剎車時機。

防止因踩錯剎車和油門而造成事故分兩步實施。當(dāng)駕駛員在停車場想停車時，如果踩成了油門，則***先將車速減至蠕滑速度，用儀表板的圖標(biāo)來提示危險，并響起警報聲。如果駕駛員仍繼續(xù)踩油門而即將撞上墻壁等物體時，則強制剎車。剎車時機為保證汽車在與障礙物相距20～30cm左右時可以停下來。

工作相關(guān)

工作原理

人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。

超聲波是***種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，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。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，***般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。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(yuǎn)。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，并在通訊，醫(yī)療***電等各方面得到廣泛應(yīng)用。

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***種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，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。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率***般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計）。另有***種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)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(guān)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。

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能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；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)生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波信號進(jìn)行檢測.而實際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。

工作程式

若對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生***面為“+ ”極，另***面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進(jìn)行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時發(fā)出警告。所設(shè)計的檢測系統(tǒng)可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報警檢測系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會減少，并可以游刃有余地采取必要的動作。

工作模式

超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測。其檢測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。

檢測模式

超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。

還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。***套對射式超聲波傳感器包括***個發(fā)射器和***個接收器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接收器和發(fā)射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關(guān)信號。

檢測范圍

超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米***波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300~500mm波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達(dá)8m。***些傳感器具有較窄的6o聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另***些聲波發(fā)射角在12o至15o的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應(yīng)的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)更適合檢測安裝空間有限的場合。

調(diào)節(jié)

幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關(guān)輸出的近點和遠(yuǎn)點或是測量范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。在設(shè)定范圍外的物體可以被檢測到，但是不會觸發(fā)輸出狀態(tài)的改變。***些傳感器具有不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，如傳感器的響應(yīng)時間、回波損失性能，以及傳感器與泵設(shè)備連接使用時對工作方向的設(shè)定調(diào)節(jié)等。

重復(fù)精度

波長等因素會影響超聲波傳感器的精度，其中***主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器具有溫度補償?shù)奶匦浴Ｔ撎匦阅苁鼓M量輸出型的超聲波傳感器在***個寬溫度范圍內(nèi)獲得高達(dá)0.6mm的重復(fù)精度。

輸出功能

所有系列的超聲波傳感器都有開關(guān)量輸出型產(chǎn)品。***些產(chǎn)品還有2路開關(guān)量輸出（如***小和***大液位控制）。大多數(shù)產(chǎn)品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產(chǎn)品。

噪聲抑制

金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超聲波傳感器的參數(shù)賦值，這主要是由于頻率范圍的優(yōu)選和已獲專利的噪聲抑制電路。

同步功能

超聲波傳感器的同步功能可防干擾。他們通過將各自的同步線進(jìn)行簡單的連接來實現(xiàn)同步功能。它們同時發(fā)射聲波脈沖，象單個傳感器***樣工作，同時具有擴展的檢測角度。

交替工作

超聲波傳感器 超長掃描型

以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨立的，不會相互影響。以交替方式工作的傳感器越多，響應(yīng)的開關(guān)頻率越低。

檢測條件

超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質(zhì)中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質(zhì)中工作，但需要進(jìn)行靈敏度的調(diào)節(jié)。

盲區(qū)

直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測位于超聲波換能器前段的部分物體。由此，超聲波換能器與檢測范圍起點之間的區(qū)域被稱為盲區(qū)。傳感器在這個區(qū)域內(nèi)必須保持不被阻擋。

溫濕度

空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時間。空氣溫度每上升20oC，檢測距離至多增加3.5%。在相對干燥的空氣條件下，濕度的增加將導(dǎo)致聲速***多增加2%。

空氣壓力

常規(guī)情況下大氣變化±5%（選***固定參考點）將導(dǎo)致檢測范圍變化±0.6%。大多數(shù)情況下，傳感器在5Bar壓力下使用沒有問題。

氣流

氣流的變化將會影響聲速。然而由***高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在產(chǎn)生空氣渦流比較普遍的條件下，例如對于灼熱的金屬而言，建議不要采用超聲波傳感器進(jìn)行檢測，因為對失真變形的聲波的回聲進(jìn)行計算是非常困難的。

標(biāo)準(zhǔn)檢測物

采用正方形聲反射板用于額定開關(guān)距離sn的標(biāo)定。

1mm的厚度

垂直性：與聲束軸線垂直。

防護(hù)等***

外殼可防固體顆粒和防水。

IP65：完全防塵；防水柱的侵入。

IP67：完全防塵；在恒溫下浸入水下1m深處并放置30分鐘，能夠有效防護(hù)。

IP69K：基于EN60529的符合DIN40050-9

泵功能

可施行雙位置控制，例如***個液位控制系統(tǒng)的泵入泵出功能。當(dāng)***個被測物遠(yuǎn)離傳感器到達(dá)檢測范圍的遠(yuǎn)點時，輸出動作。當(dāng)被測物靠近傳感器到達(dá)檢測范圍設(shè)定的近點時，輸出相反的動作。

系統(tǒng)構(gòu)成

超聲波傳感器主要由如下四個部分構(gòu)成：

發(fā)送器：通過振子（***般為陶瓷制品，直徑約為15 mm）振動產(chǎn)生超聲波并向空中幅射。

接收器：振子接收到超聲波時，根據(jù)超聲波發(fā)生相應(yīng)的機械振動，并將其轉(zhuǎn)換為電能量，作為接收器的輸出。

控制部分：通過用集成電路控制發(fā)送器的超聲波發(fā)送，并判斷接收器是否接收到信號（超聲波），以及已接收信號的大小。

電源部分：超聲波傳感器通常采用電壓為DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流電源供電，經(jīng)內(nèi)部穩(wěn)壓電路供給傳感器工作。