超聲波傳感器工作原理及主要性能指標

超聲波傳感器是利用超聲波的特性，將超聲波信號轉換成電信號的傳感器。在講述超聲波傳感器之前，我們先來了解一下超聲波。

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超聲波

聲波是一種能在氣體、液體、固體中傳播的機械波。聲波按頻率可分為次聲波、聲波和超聲波。

聲波頻率在 16Hz-20kHz 之間，是能為人耳所聞的機械波；次聲波就是頻率低於16 Hz 的機械，而波超聲波則是頻率高於20kHz的機械波 。

超聲波的特性是頻率高、波長短、繞射現象小。它最顯著的特性是方向性好，且在液體、固體中衰減很小，穿透本領大，碰到介質分界面會產生明顯的反射和折射，因而廣泛應用於工業檢測中。

超聲波的傳播速度：超聲波通常有縱波、橫波及表面波，他們的傳播速度，取決於介質的彈性常數及介質密度。氣體和液體中只能傳播縱波，氣體中聲速為344m/s，液體中聲速為900-1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關係。通常可認為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90% 。

超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。能量的衰減決定於超聲波的擴散、散射和吸收。

以超聲波作為檢測手段，能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。

超聲波傳感器

性能指標

超聲波傳感器的主要性能指標，包括；

（1）工作頻率。

工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

（2）工作溫度。

由於壓電材料的居裡點一般比較高，特別時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產生失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的製冷設備。

（3）靈敏度。

主要取決於製造晶片本身。機電耦合係數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

工作原理

超聲波傳感器按其工作原理，可分為壓電式、磁致伸縮式 、電磁式等，以壓電式最為常用。

壓電式超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應原理來工作的。常用的敏感元件材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷。

根據正、逆壓電效應的不同，壓電式超聲波傳感器分為發生器（發射探頭）和接收器（接收探頭） 兩種，根據結構和使用的波型不同可分為直探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、可變角探頭、雙晶探頭、聚焦探頭、水浸探頭、噴水探頭和專用探頭等。

壓電式超聲波發生器是利用逆壓電效應的原理將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波。當外加交變電壓的頻率等於壓電材料的固有頻率時會產生共振，此時產生的超聲波最強。壓電式超聲波傳感器可以產生幾十千赫到幾十兆赫的高頻超聲波，其聲強可達幾十瓦每平方釐米。

壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應原理進行工作的。當超聲波作用到壓電晶片上引起晶片伸縮，在晶片的兩個表面上便產生極性相反的電荷，這些電荷被轉換成電壓經放大後送到測量電路，最後記錄或顯示出來。壓電式超聲波接收器的結構和超聲波發生器基本相同，有時就用同一個傳感器兼作發生器和接收器兩種用途。

典型的壓電式超聲波傳感器結構主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜等組成。壓電晶片多為圓板形，超聲波頻率與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導電的極板，底面接地，上面接至引出線。為了避免傳感器與被測件直接接觸而磨損壓電晶片，在壓電晶片下粘合一層保護膜。吸收塊的作用是降低壓電晶片的機械品質，吸收超聲波的能量。

磁致伸縮式超聲波傳感器

鐵磁材料在交變的磁場中沿著磁場方向產生伸縮的現象，稱為磁致伸縮效應。磁致伸縮效應的強弱即材料伸長縮短的程度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應最大，如果先加一定的直流磁場，再通以交變電流時，它可以工作在特性最好的區域。磁致伸縮傳感器的材料除鎳外，還有鐵鑽釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。它們的工作效率範圍較窄，僅在幾萬赫茲以內，但功率可達十萬瓦，聲強可達幾千瓦每平方毫米，且能耐較高的溫度。

磁致伸縮式超聲波發生器是把鐵磁材料置於交變磁場中，使它產生機械尺寸的交替變化即機械振動，從而產生出超聲波。它是用幾個厚為0.1-0.4mm的鎳片疊加而成，片間絕緣以減少渦流損失，其結構形狀有矩形、窗形等。

磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材料伸縮，從而導致它的內部磁場（ 即導磁特性）發生改變。根據電磁感應，磁致伸縮材料上所繞的線圈裡便獲得感應電動勢。此電勢送到測量電路，最後記錄或顯示出來。

選型要求

在選擇和安裝超聲波傳感器的時候都需要明確一些基本條件，不然就會直接影響著傳感器的測量結果。

探測範圍和大小

要探測的物體大小直接影響超聲波傳感器的檢測範圍。傳感器必須探測到一定聲級的聲音才可以進行輸出。大部件能將大部分聲音反射給超聲波傳感器，這樣傳感器即可在其最遠傳感距離檢測到此部件。小部件僅能反射較少的一部分聲音，從而導致傳感範圍大大縮小。

探測物體的特點

使用超聲波傳感器探測的理想物體應體積大、平整且密度高，並與變換器正面垂直。最難探測的物體是體積小且由吸音材料製成的物體，或者與變換器呈一定角度的物體。

如果液面靜止且與傳感器表面垂直，探測液體就很容易。如果液面波動大，可延長傳感器的響應時間，從而取波動變化的平均值以獲得更一致的讀數。但是，超聲波傳感器還不能精確探測表面為泡沫狀的液體，因為泡沫會使聲音的傳播方向發生偏離。

這時可以使用超聲波傳感器的反向超聲模式，探測形狀不規則的物體。在反向超聲模式下，超聲波傳感器會探測一個平整背景，如牆壁。任何穿過傳感器和牆壁之間的物體都會阻斷聲波。傳感器即可通過探測該幹擾來識別物體的存在。

溫度導致的衰減

傳感器還設計了溫度補償功能，以調節環境溫度的緩慢改變。但是，它不能調節溫度梯度或環境溫度的快速變化。

周圍是否有振動

無論是傳感器本身的振動還是附近機器的振動，都可能會影響測量距離時的精確度。可在安裝傳感器時用橡膠防振裝置來減少這類問題。有時也可使用導軌來消除或降低部件振動。

環境導致的誤測

附近的物體可能會反射聲波。要準確探測目標物體，必須降低或消除附近聲音反射表面的影響。為了避免誤測附近物體，許多超聲波傳感器都裝有LED指示燈，用於在安裝時指示操作人員，以確保正確安裝傳感器並降低誤測風險。

超聲波傳感器對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測，它對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環境條件的影響，包括煙塵環境和雨天。

注意事項

根據超聲波傳感器的特點和使用中的不同情況，需要注意一下幾點：

1、為確保可靠性及延長使用壽命，請勿在戶外或高於額定溫度的地方使用傳感器。

2、細粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時無法被檢出（反射型傳感器）。

3、噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會影響傳感器且不應在傳感器附近使用。

4、傳感器表面的水滴縮短了檢出距離。

5、由於超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會導致誤動作，風吹時檢出距離也會發生變化。因此，不應在強制通風機之類的設備旁使用傳感器。

6、請勿在有蒸汽的區域使用傳感器;此區域的大氣不均勻。將會產生溫度梯度，從而導致測量錯誤

7、不能在真空區或防爆區使用傳感器。

超聲波傳感器與聲納傳感器的區別

說到超聲波傳感器，經常會引出聲納傳感器，很多人認為這兩種是一種傳感器，這兩種傳感器之間有什麼區別呢？

聲納傳感器直接探測和識別水中的物體和水底的輪廓，聲納傳感器發出一個聲波信號，當遇到物體後會反射回來，依據反射時間及波型去計算它的距離及位置。 聲納傳感器主要用於探測生物，比如用於探測水底有哪些生物，生物體形有多大等。經常問你聽說的用於探測水怪的裝置就是聲納傳感器。

超聲波對液體、固體的穿透本領很大，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都卜勒效應。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研製而成的傳感器。在工業方面，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。超聲波傳感器在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。