超聲波傳感器的原理及性能指標(biāo)

超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其它能量信號(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。

超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，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)。 數(shù)年前，在傳感器技術(shù)領(lǐng)域，超聲波傳感器一直是備用的選擇。 新技術(shù)使得今天的超聲波傳感器非常堅(jiān)固耐用并有著精確的感應(yīng)能力，這些新增強(qiáng)的特性拓展了新的應(yīng)用領(lǐng)域，完全超越了傳統(tǒng)的超聲波傳感器的應(yīng)用。

超聲波傳感器的原理及性能指標(biāo)

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。

超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，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，它可穿透幾十米的深度。 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)。

因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。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。

超聲波傳感器利用傳感器頭部的壓振陶瓷的振動(dòng)，產(chǎn)生高頻人耳聽不見的聲波來進(jìn)行感應(yīng)的，如果這聲波碰到了某個(gè)物體，傳感器就能接收到返回波。

傳感器通過聲波的波長(zhǎng)和發(fā)射聲波以及接收到返回聲波的時(shí)間差就能確定物體的距離，一個(gè)傳感器可以通過按鈕的設(shè)定來擁有近距離和遠(yuǎn)距離兩種設(shè)定，無論物體在那一種界限里，傳感器都可以檢測(cè)到。

有一些超聲波傳感器使用獨(dú)立的發(fā)射器和接收器，當(dāng)檢測(cè)緩慢移動(dòng)的物體， 或者需要快速響應(yīng)或者在潮濕環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，這種對(duì)射式或者叫分離式的超聲波傳感器就非常適用。 在檢測(cè)透明物體、液體，檢測(cè)光滑、粗糙和有光澤的，半透明材料的物體表面，和檢測(cè)不規(guī)則物體時(shí)，超聲波傳感器都是首選。

超聲波傳感器不適用的情況有：戶外，極熱的環(huán)境，有壓力的容器內(nèi)，同樣不能檢測(cè)有泡沫的物體。

超聲波傳感器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。 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)探頭反射、一個(gè)探頭接收)等。

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。 晶片的大小，直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)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。

超聲波傳感器主要利用超聲波的反射特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的檢測(cè)與測(cè)量。其工作流程可以分為以下四個(gè)階段：

發(fā)射階段：傳感器內(nèi)部的換能器(通常是壓電晶片)在電信號(hào)的激勵(lì)下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而發(fā)射出超聲波。

傳播階段：發(fā)射出的超聲波在介質(zhì)(如空氣、液體等)中以一定的速度直線傳播。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，超聲波會(huì)發(fā)生反射。

接收階段：傳感器接收到反射回來的超聲波信號(hào)。通過計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，結(jié)合已知的聲速，可以精確地確定傳感器與目標(biāo)物體之間的距離。

處理階段：對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，得出所需的信息。

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(shí)， 輸出的能量最大，靈敏度也最高。

(2)工作溫度

由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(dú)的制冷設(shè)備。

(3)靈敏度

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

超聲波傳感器的典型性應(yīng)用

不管你的任務(wù)是在物流行業(yè)，工程機(jī)械，食品和飲料，料位檢測(cè)或自動(dòng)門和工業(yè)門檢測(cè)：超聲波傳感器都能為最多樣化的應(yīng)用需求提供解決方案。請(qǐng)看以下9種綜合應(yīng)用實(shí)例，向你展示了超聲波傳感器的多功能性。

超聲波傳感器?的工作原理基于聲波的發(fā)射、傳播、反射和接收。其核心部件是換能器，通常由壓電陶瓷或磁致伸縮材料制成。當(dāng)電流通過這些材料時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而發(fā)射出高頻超聲波脈沖。這些脈沖在介質(zhì)中(如空氣或液體)以恒定速度傳播，遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射，返回傳感器的接收器部分。?

工作流程

?發(fā)射階段?：傳感器內(nèi)部的換能器在電信號(hào)的激勵(lì)下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)射出超聲波。

?傳播階段?：發(fā)射出的超聲波在介質(zhì)中以特定速度傳播，遇到障礙物時(shí)發(fā)生反射。

?接收階段?：傳感器接收到反射回來的超聲波信號(hào)。

?處理階段?：通過計(jì)算發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)間差，結(jié)合已知的聲速，可以計(jì)算出傳感器與目標(biāo)物體之間的距離。

應(yīng)用領(lǐng)域

超聲波傳感器由于其非接觸式、高精度、快速響應(yīng)和強(qiáng)抗干擾能力等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域：

?工業(yè)領(lǐng)域?：用于無損檢測(cè)、液位監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)化控制等。

?醫(yī)療領(lǐng)域?：輔助進(jìn)行超聲診斷和治療。

?安防領(lǐng)域?：實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)、車輛防撞等功能。

?環(huán)境監(jiān)測(cè)?：用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。

?機(jī)器人導(dǎo)航?：幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)避障和導(dǎo)航。