超聲波傳感器原理和簡介

超聲波傳感器基本介紹超聲波傳感器是運用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它含有頻率高、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輸?shù)忍攸c。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，特別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)或分界面會產(chǎn)生明顯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)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接受超聲波。完畢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。構(gòu)成部分超聲波探頭重要由壓電晶片構(gòu)成，既能夠發(fā)射超聲波，也能夠接受超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的構(gòu)造，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（一種探頭反射、一種探頭接受）等。性能指標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)成晶片的材料能夠有許多個。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相似，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先理解它的性能。超聲波傳感器的重要性能指標涉及：\o"查看圖片"超聲波傳感器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，敏捷度也最高。工作溫度由于壓電材料的居里點普通比較高，特別是診療用超聲波探頭使用\o"查看圖片"超聲波傳感器功率較小，因此工作溫度比較低，能夠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。[1]敏捷度重要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，敏捷度高；反之，敏捷度低。重要應(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\o"查看圖片"超聲波傳感器最重要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子闡明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用重要是診療疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診療辦法。超聲波診療的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、辦法簡便、顯像清晰、診療的精確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診療能夠基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型辦法。這個辦法是運用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳輸碰到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每碰到一種反射面時，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)由于無法探測到物體組織內(nèi)部而受到妨礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)變化了這種狀況。固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。在將來的\o"查看圖片"超聲波傳感器應(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、高敏捷度的超聲波傳感器。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，特別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)或分界面會產(chǎn)生明顯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)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波距離傳感器能夠廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測，機器人防撞，多個超聲波靠近開關(guān)，以及防盜報警等有關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便，防水型，發(fā)射夾角較小，敏捷度高，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。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\o"查看圖片"超聲波傳感器范疇內(nèi)，超出20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。慣用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用重要采用縱向振蕩。超聲波能夠在氣體、液體及固體中傳輸，其傳輸速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳輸過程中有衰減。在空氣中傳輸超聲波，其頻率較低，，普通為幾十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輸，衰減較小，傳輸較遠。運用超聲波的特性，可做成多個超聲傳感器，配上不同的電路，制成多個超聲測量儀器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。超聲波傳感器重要材料有壓電晶體（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。壓電晶體構(gòu)成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎軌驅(qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接受到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，因此它能夠分成發(fā)送器或接受器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接受。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接受略有差別，它合用于在空氣中傳輸，工作頻率普通為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器合用于測距、遙\o"查看圖片"超聲波傳感器控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表達發(fā)送，R表達接受，40表達頻率為40KHZ，16及12表達其外徑尺寸，以毫米計）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點是含有防水作用（但不能放入水中），能夠作料位及靠近開關(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、靠近開關(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)、接受傳感器(或稱波接受器)、控制部分與電源部分構(gòu)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構(gòu)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；而接受傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路構(gòu)成，換能器接受波產(chǎn)生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接受器的輸出，從而對發(fā)送的超進行檢測.而實際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也能夠用做接受器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种匾獙Πl(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\o"查看圖片"超聲波傳感器)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輸(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接受器。接受器是運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)生一面為“+”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進行放大。超聲波傳感器使得駕駛員能夠安全地倒車，其原理是運用探測倒車途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)能夠同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表達是探測到了在盲區(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，并能夠游刃有余地采用必要的動作。系統(tǒng)構(gòu)成由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接受傳感器(或稱波接受器)、控制部\o"查看圖片"超聲波傳感器分與電源部分構(gòu)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構(gòu)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；而接受傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路構(gòu)成，換能器接受波產(chǎn)生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接受器的輸出，從而對發(fā)送的超進行檢測.而實際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也能夠用做接受器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种匾獙Πl(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)及探測距離等進行控制。超聲波傳感器電源(或稱信號源)可用DC12V±10%或24V±10%。工作模式超聲波傳感器運用聲波介質(zhì)對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測\o"查看圖片"超聲波傳感器。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，涉及煙塵環(huán)境和雨天。檢測模式超聲波傳感器重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)射回傳感器的接受器，從而使傳感器檢測到被測物。尚有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對射式超聲波傳感器涉及一種發(fā)射器和一種接受器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接受器和發(fā)射器之間的被檢測物將會阻斷接受器接受發(fā)射的聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關(guān)信號。檢測范疇和聲波發(fā)射角超聲波傳感器的檢測范疇取決于其使用的波長和頻率。波長越長，\o"查看圖片"超聲波傳感器頻率越小，檢測距離越大，如含有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范疇為300~500mm波長不不大于5mm的傳感器檢測范疇可達8m。某些傳感器含有較窄的6º聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另某些聲波發(fā)射角在12º至15º的傳感器能夠檢測含有較大傾角的物體。另外，我們尚有外置探頭型的超聲波傳感器，對應(yīng)的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)。這種構(gòu)造更適合檢測安裝空間有限的場合。傳感器調(diào)節(jié)幾乎全部的超聲波傳感器都能對開關(guān)輸出的近點和遠點或是測量范疇進行調(diào)節(jié)。在設(shè)定范疇外的物體能夠被檢測到，但是不會觸發(fā)輸出狀態(tài)的變化。某些傳感器含有不同的調(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，其中最重要的影響因素是隨溫度\o"查看圖片"超聲波傳感器變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器含有溫度賠償?shù)奶匦?。該特性能使模擬量輸出型的超聲波傳感器在一種寬溫度范疇內(nèi)獲得高達0.6mm的重復(fù)精度。輸出功效全部系列的超聲波傳感器都有開關(guān)量輸出型產(chǎn)品。某些產(chǎn)品尚有2路開關(guān)量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數(shù)產(chǎn)品系列都能提供含有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產(chǎn)品。噪聲克制金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超聲波傳感器的參數(shù)賦值，這重要是由于頻率范疇的優(yōu)選和已獲專利的噪聲克制電路。同時功效超聲波傳感器的同時功效可防干擾。他們通過將各自的同時線進\o"查看圖片"超聲波傳感器行簡樸的連接來實現(xiàn)同時功效。它們同時發(fā)射聲波脈沖，象單個傳感器同樣工作，同時含有擴展的檢測角度。傳感器交替性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互相獨立的，不會互相影響。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，但需要進行敏捷度的調(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疇起點之間的區(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?？諝鉁囟扰c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\o"查看圖片"超聲波傳感器距離至多增加3.5%。在相對干燥的空氣條件下，濕度的增加將造成聲速最多增加2%?？諝鈮毫ΤＲ?guī)狀況下大氣變化±5%（選一固定參考點）將造成檢測范疇變化±0.6%。大多數(shù)狀況下，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。然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微局限性道的。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行檢測，由于對失真變形的聲波的回聲進行計算是非常困難的。原則檢測物采用正方形聲反射板用于額定開關(guān)距離sn的標定。1mm的厚度垂直性：與聲束軸線垂直。防護等級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。IP69K：基于EN60529的符合DIN40050-9泵功效可施行雙位置控制，例如一種液位控制系統(tǒng)的泵入泵出功效。當一種被測物遠離傳感器達成檢測范疇的遠點時，輸出動作。當被測物靠近傳感器達成檢測范疇設(shè)定的近點時，輸出相反的動作。檢測好壞超聲波傳感器用萬用表直接測試是沒有什么反映的。要想測試超聲波傳感器的好壞能夠搭一種音頻振蕩電路，當C1為390OμF時，在反相器⑧腳與⑩腳間可產(chǎn)生一種1.9kHz左右的音頻信號。把要檢測的超聲波傳感器(發(fā)射和接受)接在⑧腳與⑩腳之間;如果傳感器能發(fā)出音頻聲音，基本就能夠擬定比超聲波傳感器是好的。注：C1=3900μF時，為1.9kHZ左右；C1=0.O1μF時，約0.76kHZ。編輯本段技術(shù)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)用是其最重要的應(yīng)用之一，以醫(yī)學(xué)為例子闡明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用重要是診療疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診療辦法。超聲波診療的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、辦法簡便、顯像清晰、診療的精確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診療能夠基于不同的醫(yī)學(xué)原理，其中有代表性的一種所謂的A型辦法。這個辦法是運用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳輸碰到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每碰到一種反射面時，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)由于無法探測到物體組織內(nèi)部而受到妨礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)變化了這種狀況。固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。在將來的應(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、高敏捷度的超聲波傳感器。遙控開關(guān)超聲波遙控開關(guān)可控制家用電器及照明燈。采用小型超聲波傳感器（Φ12-Φ16),工作頻率在40KHZ,遙控距離約10米.遙控器的發(fā)送，這是由555時基電路構(gòu)成的振蕩器,調(diào)節(jié)10KΩ電位器，使振蕩頻率為40KHZ，傳感器接在③腳，接下按鈕時，發(fā)送出超聲波，接受電路。電源由220V經(jīng)電容降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后獲得12V工作電壓。由于是非隔離電源，要整個電路用塑料外殼封裝，以防觸電（在調(diào)試時也應(yīng)注意）。信號由超聲波接受器接受，經(jīng)Q1、Q2放大（L、C諧振槽路調(diào)諧在40KHZ）。放大后的信號去觸發(fā)由Q3、Q4構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)電路，Q5及LED作為觸發(fā)隔離，并可發(fā)光顯示。由于雙穩(wěn)態(tài)在開機時有隨機性，故加一清零按鈕。Q5輸出的觸發(fā)信號使雙向可控硅導(dǎo)通，負載接通。要負載斷路，則要按一次發(fā)送鈕。液位批示及控制器由于超聲波在空氣中有一定的衰減，則發(fā)送到液面及從液面反射回來的信號大小與液位有關(guān)，液面位置越高，信號越大；液面越低則信號就小。接受到的信號經(jīng)BG1、BG2放大，經(jīng)D1、D2整流成直流電壓。當4.7KΩ上的電壓超出BG3的導(dǎo)通電壓時，有電流流過BG3，電流表有批示，電流大小與液面有關(guān)。當液位低于設(shè)立值時，比較器輸出為低電平。BG不導(dǎo)通，若液位升到規(guī)定位置，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平。BG導(dǎo)通，J吸合，可通過電磁閥將輸液開關(guān)關(guān)閉，以達成控制的目的（高位控制）。液位測試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，在氣體中傳輸，碰到空氣與液體的界面后被反射，接受到回波信號后計算其超聲波來回的傳輸時間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量辦法有諸多其它辦法不可比擬的優(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(yīng)時間短能夠方便的實現(xiàn)無滯后的實時測量。系統(tǒng)采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接受傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接受到所需的時間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而擬定液面?？紤]到環(huán)境溫度對超聲波傳輸速度的影響，通過溫度賠償?shù)霓k法對傳輸速度予以校正，以提高測量精度。計算公式為：V＝331.5＋0.607T（1）式中：V為超聲波在空氣中傳輸速度；T為環(huán)境溫度。S＝V×t/2＝V×（t1－t0）/2（2）式中：S為被測距離；t為發(fā)射超聲脈沖與接受其回波的時間差；t1為超聲回波接受時刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時刻。運用MCU的捕獲功效能夠很方便地測量t0時刻和t1時刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測距離S。由于本系統(tǒng)的MCU選用了含有SOC特點的混合信號解決器，其內(nèi)部集成了溫度傳感器，因此可運用軟件很方便的實現(xiàn)對傳感器的溫度賠償。注意事項1：為確?？煽啃约伴L使用壽命，請勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器。2：由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質(zhì)，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會造成誤動作，風吹時檢出距離也會發(fā)生變化。因此，不應(yīng)在強制通風機之類的設(shè)備旁使用傳感器。3：噴氣嘴噴出的噴氣有多個頻率，因此會影響傳感器且不應(yīng)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：細粉末和棉紗之類的材料在吸取聲音時無法被檢出（反射型傳感器）。6：不能在真空區(qū)或防爆區(qū)使用傳感器。7：請勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器；此區(qū)域的大氣不均勻。將會產(chǎn)生溫度梯度，從而造成測量錯誤。暴