超聲波傳感器的原理及優(yōu)缺點(diǎn)--俞俊倩

1、超聲波傳感器的原理及優(yōu)缺點(diǎn)5110309465摘要超聲波是頻率超過人耳聽覺頻率極限機(jī)械波的總稱，它可以在氣體、液體、固體中傳播。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波傳感器可以在距離檢測、流量測量、金屬探傷等方面被應(yīng)用。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。關(guān)鍵字:超聲波傳感器工作原理流量測量探傷距離檢測.引言傳感器(Transducer),顧名思義，便是能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝谿，通常被測量是非電物理量，輸出信號一般為電量。它能夠充當(dāng)人類感覺器官的延生，在各個方面擴(kuò)展人類獲得自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中的信息。20世紀(jì)中葉人們發(fā)現(xiàn)某些介質(zhì)

2、的晶體(如石英晶體、灑石酸鉀晶體等)在高電壓窄脈沖作用下，能夠產(chǎn)生較大功率的超聲波。據(jù)此人們制成了超聲波傳感器。超聲波傳感器能夠發(fā)出、接受并分析出我們?nèi)硕鸁o法察覺到的聲音。在檢測方面利用超聲波傳感器能夠做到超聲波測距、超聲波探傷等功能，可以用在探測海底沉船、敵方潛艇和顯示金屬內(nèi)傷等方面。這些都能夠應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)療等各技術(shù)領(lǐng)域，與我們的生活息息相關(guān)。.超聲波的概念與特性人耳能夠聽到的聲音是由于物體震動產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz20KHz范圍內(nèi)，成為可聞聲波。低于20Hz的機(jī)械振動在人耳不可聞，稱為次聲波；高于20KHz的機(jī)械振動成為超聲波，常用的超聲波頻率在幾十KHz至幾十幾十M

3、Hz之間。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）和縱向振蕩（縱波）。工業(yè)應(yīng)用中主要采用縱向振蕩。超聲波除了在不同介質(zhì)中傳播速度不一樣這一點(diǎn)和可聞聲波一樣外，在其反射、折射、衍射等傳播規(guī)律上也和可聞聲波一致。不過它也有很多奇異的特性：1.由于其頻率高所以具有的功率更大，相對于可聞聲波它的功率非常大。所以超聲波在傳播時方向性強(qiáng)，能夠易于集中，穿透本領(lǐng)大。2.頻率越高其聲場指向性越好，與光波的反射、折射特性就越接近。.超聲波傳感器的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.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。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是

4、利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。小功率超聲波探頭多為探測作用，它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）。超聲波探頭的核心是其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，如直徑和厚度也各有不同，因此每個探頭的性能是不同的，使用

5、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)如下：(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，靈敏度也最局。(2)工作溫度。由于壓電材料的店里點(diǎn)一般比較高，特別是探測用超聲波探頭使用超聲波傳感器功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時問工作而不失效。(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。.超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波位輅傳感器超聲波位谿傳感器采用超聲波回波測位原理，運(yùn)用時差測量技術(shù)，檢測傳感器與目標(biāo)之間的距離，采用小角度、小盲區(qū)超聲波傳感器，具有測量準(zhǔn)確、無接觸、防水、防腐蝕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用

6、于液位、物位、料位檢測等超聲波位谿傳感器的基本原理是：系統(tǒng)由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到被測物體經(jīng)反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收所需的時間，再根據(jù)介質(zhì)中的聲速，就能得到從傳感器到被測物體之間的距離，從而確定位谿?？紤]到環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ?，以提高測量精度。計(jì)算公式為cVtV(t0-t1)S=式中：s為被測距離；為發(fā)射超聲波脈沖與接收其回波的時間差；為超聲回波接收時刻；幻為超聲脈沖發(fā)射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t時刻和to時刻，根據(jù)公式，計(jì)算可得到被測距離S。超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的，如

7、傳播速度變化法、波速移動法、多普勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點(diǎn)，可測的流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測量。超聲波流量計(jì)可用來對自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測量。還適用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測量。多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣

8、泡等流體流量測量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原理上，此法的測量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無關(guān)，因而與流體溫度，濃度等無關(guān)，因而測量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器價格貴，線路比較復(fù)雜。在微處理機(jī)普及應(yīng)用后，這個缺點(diǎn)可以克服。噪聲法(聽音法)是利用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設(shè)備價格便宜，但準(zhǔn)確度低。超聲波傳感器探傷對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，碰到雜質(zhì)或分界面就會有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要工具。(1)穿透法探傷穿透法探傷是根

9、據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個超聲波傳感器探頭，谿于工件相對面，一個發(fā)射超聲波，一個接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖波。在探測中，當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測出來。(2)反射法探傷反射法探傷是以超聲波在工件中反射情況的不同，來探測缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例，說明檢測原理。接收探頭放大器_,顯示圖5.穿透法探傷示意圖圖6.反射法探傷示意圖高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖（發(fā)射波）加在超聲波傳感器探頭上，激勵壓電晶體振蕩，使之

10、產(chǎn)生超聲波。超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺陷F時反射回來；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B,也反射回來。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收時，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波f、缺陷波F及底波經(jīng)放大后，在顯示器熒光屏上顯示出來。熒光屏上的水平亮線為掃描線（時間基準(zhǔn)），其長度與時間成正比。由發(fā)射波、缺陷波及底波在掃描線的位谿，可求出缺陷的位谿。由缺陷波的幅度，可判斷缺陷大?。挥扇毕莶ǖ男螤?，可分析缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面時，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件無缺陷時，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。超聲波探傷的優(yōu)點(diǎn)是檢測厚度大、靈敏度高、速度

11、快、成本低、對人體無害，能對缺陷進(jìn)行定位和定量。然而，超聲波探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主、客觀因素的影響，以及探傷結(jié)果不便保存等，使超聲波探傷也有其局限性。.超聲波傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)適用頻率范圍小現(xiàn)在的超聲波傳感器頻率都相對固定，例如40KHz的傳感器，只能用在38-42KHZ上。目前幾乎見不到頻域范圍廣的傳感器，例如40KHz500KHz這樣的產(chǎn)品。驅(qū)動電壓高超聲波傳感器驅(qū)動電壓一般在100Vp-p到1500Vp-p之間，在很多低壓設(shè)備上需要脈沖變壓器升壓，這樣會帶來一些不必要的麻煩。減小超聲波傳感器的適用范圍。靈敏度太小主要由于超聲波傳感器多采用壓電陶瓷材料的原因，其材料的限制導(dǎo)致了靈敏度無法達(dá)到其他傳感器的精確靈敏度。適用距離范圍小由于超聲波頻率高所以在介質(zhì)中傳播時衰減快，所以超聲波傳感器的傳播距離較短，無法達(dá)到參考文獻(xiàn).CarulloA,ParvisM.AnultrasonicsensorfordistancemeasurementinautomotiveapplicationsJ.IEEESensorsJournal,2001,1(2):143-147.曹帥,李守軍，劉大明.淺析超聲波位谿傳感器的原理及應(yīng)用J.甘肅科技縱橫,2