超声波传感器

寻艳芳

摘 要 超声波传感器是利用超声波特性研制而成的传感器。超声波是指频率高于20kHZ以上的机械波，由压电晶体，在电压的激励下发生振动产生的。本文以超声波的特性为出发点，来讲述超声波传感器的原理及应用。

关键词 超声波 反射 衰减 振动 压电晶体

中图分类号：TB5 文献标识码：A

超声波是指频率高于20kHZ以上的机械波，它具有频率高、穿透性强、方向性好等特点。超声波传感器正是利用超声波特性研制而成的传感器。

1 超声波的特性

1.1 超声波的反射和折射

当超声波由一种介质入射到另外一种介质时，由于超声波在两种介质中的传播速度不同，在这两种介质分界面上将产生反射现象和折射现象。

1.2 超声波的传播

超声波在气体、液体、固体中都可以传播，但是各自的传播速度不同。声波在固体中传播最快，液体次之，气体最慢。在空气中，影响声速的主要因素是温度。

1.3 超声波的衰减

超声波在介质中传播时，会被吸收而衰减。其中，在气体中吸收最强，衰减最大，液体次之，固体中吸收最小，衰减最小。

2 超声波传感器的工作原理

超声波传感器是实现波、电转换的装置，主要进行超声波的发射和接收，并将其转换成相应的电信号。

2.1 超声波的发射

超声波的发射是利用压电晶体，在电压的激励下产生振动，来发射超声波的，也称为电致伸缩现象。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。

2.2 超声波的接收

超声波的接收和超声波的发射是互为逆效应的。当超声波作用到压电晶体上时，使晶体片振动，晶体片的两个面上将产生效应电荷，这种电荷被转换成电压，经过放大后被送到测量电路，最后记录或显示出结果。

3 超声波传感器的应用

3.1 超声波测距器

超声波在某一时刻发出一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器接收。这样只要计算出发出信号到接收返回信号所用的时间，就可以计算出超声波测距器到反射物体之间的距离。计算公式为：d=s/2=（v*t）/2

3.2 超声波传感器在医学中的应用

超声波在医学中的应用主要是诊断疾病，它已经成为临床医学中不可或缺的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损伤、方法简便、图像清晰、诊断的准确度高等。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就会产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来 ，而两个界面的阻抗差值也决定的回声振幅的高低。

3.3 超声波探伤

（1）穿透法探伤

穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判断工件内部质量的方法。穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。在探测中，若工件内没有缺陷，接收能量大，仪表指示值大；若工件有缺陷时，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件的内部缺陷检测出来。

（2）反射法探伤

反射法探伤是以超声波在不同工件反射情况的不同，来探测缺陷的方法。高频脉冲发生器产生的脉冲加在探头上，激励压电晶体振荡，使之产生超声波。超声波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波遇到缺陷反射回来，另一部分超声波继续传至工件底面，再反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。发射波、缺陷波及底波经放大后，在显示器的荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线为扫描线，其长度与时间成正比。由发射波、缺陷波及底波在扫描线的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷的大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。

4 超声波传感器存在的问题

超声波传感器应用起来原理简单、成本低，但也存在一些缺点，比如：反射问题、噪音、交叉问题。

（1）反射问题

如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。其中可能会出现几种误差：三角误差、镜面反射、多次反射。这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。

（2）噪音

虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决。

（3）交叉问题

交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。