【漲知識】超聲波傳感器原理、特點及用途
2019-1-9 10:02:32來源：電子元件技術網(wǎng)編輯：
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。它有許多不同的結構，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（一個探頭發(fā)射、一個探頭接收）等。
超聲波傳感器是將超聲波信號轉換成其他能量信號（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、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。超聲波傳感器廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。
傳感器能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉換成可用，信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。
目前對傳感器尚無一個統(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、按傳感器輸出信號的性質分類，可分為：輸出為開關量（“1”和“0”或“開”和“關”）的開關型傳感器；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用非常廣泛的，給人類社會帶來很大便利的傳感器——超聲波傳感器以及其在倒車雷達上的應用。
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。以超聲波作為檢測手段，必須產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?，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，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能量轉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)送的超聲波進行檢測?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數(shù)及探測距離等進行控制。
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。 聲波是物體機械振動狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的聲波，其每秒的振動次數(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。
超聲波的特點：
（1）超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中；
（2）超聲波能在各種不同媒質中傳播，且可傳播足夠遠的距離；（3）超聲波與傳聲媒質的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質狀態(tài)的信息（診斷或對傳聲媒質產生效應）。
超聲波傳感器的應用
超聲波傳感技術應用在生產實踐的不同方面。
1、超聲波距離傳感器技術的應用
超聲波傳感器包括三個部分：超聲換能器、處理單元和輸出級。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵，其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波，接著超聲換能器轉入接受狀態(tài)，處理單元對接收到的超聲波脈沖進行分析，判斷收到的信號是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是，就測量超聲波的行程時間，根據(jù)測量的時間換算為行程，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，對準被測物變化方向發(fā)射超聲波，就可測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的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。
2、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。
3、超聲波傳感器在測量液位的應用
超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長；（2）其響應時間短可以方便的實現(xiàn)無滯后的實時測量。
4、超聲波傳感器在測距系統(tǒng)中的應用
超聲測距大致有以下方法：
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，測量電壓即可測得距離；
②測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，故被測距離為 S=1/2vt。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y距適用于高精度的中長距離測量。
5、超聲波傳感器在工業(yè)方面的應用
在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現(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，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發(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。
6、超聲波傳感器在倒車雷達上的應用
倒車雷達全稱叫“倒車防撞雷達”，也叫“泊車輔助裝置”，是汽車泊車或者倒車時的安全輔助裝置，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、倒車和起動車輛時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。
倒車雷達是根據(jù)蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會與任何障礙物相撞的原理設計開發(fā)的。探頭裝在后保險杠上，根據(jù)不同價格和品牌，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。它最大的好處是能探索到那些低于保險杠而司機從后窗難以看見的障礙物，并報警，如花壇、蹲在車后玩耍的小孩等。倒車雷達的顯示器裝在后視鏡上，它不停地提醒司機車距后面物體還有多少距離，到危險距離時，蜂鳴器就開始鳴叫，讓司機停車。擋位桿掛入倒擋時，倒車雷達自動開始工作，測距范圍達0.3到2.0米左右，故在停車時，對司機很實用。
倒車雷達就相當于超聲波探頭，從整體上來說超聲波探頭可以分為兩大類：一是用電氣方式產生超聲波，其二是用機械方式產生超聲波，鑒于目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，它有兩個電晶片和一個共振板，當兩極外加脈沖信號，它的頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時，壓力晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，將機械的能轉為電信號的這一過程，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)設計和制造出很多超聲波發(fā)聲器，超聲波探頭加以運用在使用汽車倒車雷達上。這種原理用在一種非接觸檢測技術上，用于測距來說其計算簡單，方便迅速，易于做到實時控制，距離準確度達到工業(yè)實用的要求。倒車雷達用于測距上，在某一時刻發(fā)出超聲波信號，在遇到被測物體后的射回信號波，被倒車雷達接收到，得用在超聲波信號從發(fā)射到接收回波信號這一個時間而計算出在介質中的傳播速度，這就可以計算出探頭與被探測到的物體的距離。
在人類文明的歷次產業(yè)革命中，傳感技術一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個技術和應用領域的關鍵技術，在人們可以想象的所有領域中，它幾乎無所不在。
隨著傳感器的技術進步，傳感器將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀展望未來，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)展的社會需求里，面貌一新的傳感器將發(fā)揮更大的作用。
超聲波傳感器是將超聲波信號轉換成其他能量信號（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、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。超聲波傳感器廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。
傳感器能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉換成可用，信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。
目前對傳感器尚無一個統(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、按傳感器輸出信號的性質分類，可分為：輸出為開關量（“1”和“0”或“開”和“關”）的開關型傳感器；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用非常廣泛的，給人類社會帶來很大便利的傳感器——超聲波傳感器以及其在倒車雷達上的應用。
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。以超聲波作為檢測手段，必須產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?，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，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能量轉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)送的超聲波進行檢測?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數(shù)及探測距離等進行控制。
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。 聲波是物體機械振動狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的聲波，其每秒的振動次數(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。
超聲波的特點：
（1）超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中；
（2）超聲波能在各種不同媒質中傳播，且可傳播足夠遠的距離；（3）超聲波與傳聲媒質的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質狀態(tài)的信息（診斷或對傳聲媒質產生效應）。
超聲波傳感器的應用
超聲波傳感技術應用在生產實踐的不同方面。
1、超聲波距離傳感器技術的應用
超聲波傳感器包括三個部分：超聲換能器、處理單元和輸出級。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵，其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波，接著超聲換能器轉入接受狀態(tài)，處理單元對接收到的超聲波脈沖進行分析，判斷收到的信號是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是，就測量超聲波的行程時間，根據(jù)測量的時間換算為行程，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，對準被測物變化方向發(fā)射超聲波，就可測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的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。
2、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。
3、超聲波傳感器在測量液位的應用
超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長；（2）其響應時間短可以方便的實現(xiàn)無滯后的實時測量。
4、超聲波傳感器在測距系統(tǒng)中的應用
超聲測距大致有以下方法：
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，測量電壓即可測得距離；
②測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，故被測距離為 S=1/2vt。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y距適用于高精度的中長距離測量。
5、超聲波傳感器在工業(yè)方面的應用
在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現(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，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發(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。
6、超聲波傳感器在倒車雷達上的應用
倒車雷達全稱叫“倒車防撞雷達”，也叫“泊車輔助裝置”，是汽車泊車或者倒車時的安全輔助裝置，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、倒車和起動車輛時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。
倒車雷達是根據(jù)蝙蝠在黑夜里高速飛行而不會與任何障礙物相撞的原理設計開發(fā)的。探頭裝在后保險杠上，根據(jù)不同價格和品牌，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。它最大的好處是能探索到那些低于保險杠而司機從后窗難以看見的障礙物，并報警，如花壇、蹲在車后玩耍的小孩等。倒車雷達的顯示器裝在后視鏡上，它不停地提醒司機車距后面物體還有多少距離，到危險距離時，蜂鳴器就開始鳴叫，讓司機停車。擋位桿掛入倒擋時，倒車雷達自動開始工作，測距范圍達0.3到2.0米左右，故在停車時，對司機很實用。
倒車雷達就相當于超聲波探頭，從整體上來說超聲波探頭可以分為兩大類：一是用電氣方式產生超聲波，其二是用機械方式產生超聲波，鑒于目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，它有兩個電晶片和一個共振板，當兩極外加脈沖信號，它的頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時，壓力晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，將機械的能轉為電信號的這一過程，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)設計和制造出很多超聲波發(fā)聲器，超聲波探頭加以運用在使用汽車倒車雷達上。這種原理用在一種非接觸檢測技術上，用于測距來說其計算簡單，方便迅速，易于做到實時控制，距離準確度達到工業(yè)實用的要求。倒車雷達用于測距上，在某一時刻發(fā)出超聲波信號，在遇到被測物體后的射回信號波，被倒車雷達接收到，得用在超聲波信號從發(fā)射到接收回波信號這一個時間而計算出在介質中的傳播速度，這就可以計算出探頭與被探測到的物體的距離。
在人類文明的歷次產業(yè)革命中，傳感技術一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個技術和應用領域的關鍵技術，在人們可以想象的所有領域中，它幾乎無所不在。
隨著傳感器的技術進步，傳感器將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀展望未來，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)展的社會需求里，面貌一新的傳感器將發(fā)揮更大的作用。
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