超聲波傳感器原理和簡介

1、超聲波傳感器基本介紹超聲波傳 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)生的方向性好、能夠成為射線而 本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不 波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生 生多普勒效應(yīng)。因此超聲波和接收超聲波。完成這種功 換能器，或者超聲探頭。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是 定向傳播等特 點。超聲波對液體、固體的穿透 透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲 顯著反射形成 反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn) 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)生超聲波能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲

2、組成部分發(fā)射超聲波，也可以接收超多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭超聲波探 頭主要由壓電晶片組成，既可以 聲波。小功率 超聲探頭多作探測作用。它有許（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 （一個探頭反射、一個探頭接收）等。性能指標(biāo)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，如直 徑和厚度也各不相同，因此 每個探頭的性 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 感器的主要性能指標(biāo)包括：工作頻率超聲波傳感器工作頻率 就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加 和晶片的共振 頻率相等時，輸出的能量最大，到它兩端

3、的交流電壓的頻率 靈敏度也最高。工作溫度由于壓電材料的店里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用超聲波傳感器地工作而不失效。醫(yī)療用的 。1功率較小，所 以工作溫度比較低，可以長時間 超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備 靈敏度主要取決于制造晶片本身。 機電耦合系數(shù) 大、靈敏度高；反之，靈敏 度低。主要應(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)用是其超聲波傳感器最主要的應(yīng)用 之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超 波在醫(yī)學(xué)上的 應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成 診斷方法。超 聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無 顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易 歡迎。超聲波 診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理， 一種

4、所謂 的A型方法。這個方法是利用超聲波 織中傳播遇到 兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是， 每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上 抗差值也決定 了回聲的振幅的高低。聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲 為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的 痛苦、無損害、方法簡便、 ,受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的 我們來看看其中有代表性的 的反射。當(dāng)超聲波在人體組 在該界面就產(chǎn)生反射回聲。 顯示出來，而兩個界面的阻的無損探傷和超聲波測厚兩 內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳 聲波傳感器是固定地安裝在 要的信號。在未來的在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬 種。過去，許 多技術(shù)因為無法探測到物體組織 感技術(shù)的出現(xiàn) 改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超 不同的裝置上

5、，“悄無聲息”地探測人們所需超聲波傳感器應(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、高靈敏度 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，尤其是在陽光不 透明的固體中, 它可穿透幾十米的深度。形成反射成回波，碰到活動方面。液位）監(jiān)測，機器人防撞，超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射 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)等超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（ 各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報警 等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便，防水型，發(fā)射夾角較小, 靈敏度高，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

6、。工作原理人們能聽到聲音是由于物體報生產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHz超聲波傳感器范圍內(nèi)，超過 20KHz稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常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, 波）及縱和振 蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要 在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同 現(xiàn)象，并且在 傳播過程中有衰減。在空氣中傳 一般為幾十KHZ而在固體、液體中則頻率可用 而在液體及固 體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn) 成各種超聲傳 感器，配上不同的電路，制成各 在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。有兩種形式：橫向振蕩（橫 采用縱向振蕩。超聲波可以 。另外，它也有折射

7、和反射 播超聲波，其頻率較低， 得較高。在空氣中衰減較快， 。利用超聲波的特性，可做 種超聲測量儀器及裝置，并超聲波傳 感器主要材料有 壓電波體（電致伸縮）及鍥鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的 材料有結(jié)鈦酸鉛（波傳感器是一 同時它接收到 器。有的超聲 感器，發(fā)送與種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔?超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所 波傳感器既作發(fā)送，也能作接收 接收略有差別，它適用于在空氣PZT）等。壓電 晶體組成的超聲轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波以它可以分成發(fā)送器或接收。這里僅介紹小型超聲波傳中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙超聲波傳感器控、防盜等用 途

8、。該種有 T/R-40-60 , T/R-40-12等（其 中T表示發(fā)送，R 表示接收，40表示頻率為40KH乙16及12表示其外 徑尺寸，以毫米計）。 另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點是具有防水作用（但 不能放入水中），可以作料位及接近開關(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、接近開關(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）、接收傳感 器（或稱波接收 器）、控制部 分與電源部分 組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器 與使用直徑為15m*右的陶瓷 振子換能器組 成，換能器作用是

9、將陶瓷振子的 電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射； 而接收傳感器由陶瓷振子換能器 與放大電路組成，換能器接 收波產(chǎn)生機械 振動，將其變換成電能量，作為 傳感器接收器的輸出，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 振子的也可以用 做接收器傳感 器社的陶瓷振子?？刂撇糠种?要對發(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 疏密形式傳播（疏密程度可由控 制電

10、路調(diào)制），并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器 所采用的壓電效應(yīng)的庭里，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可以安全地倒車，其原理是利并及時發(fā)出警告。所設(shè)計的 警告，其警告表示是探測到 窄的地方不管是泊車還是開用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，檢測系統(tǒng)可以 同時提供聲光并茂的聽覺和視覺 了在盲區(qū)內(nèi)障 礙物的距離和方向。這樣，在狹 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，并可以游刃 有余地采取必 要的動作。系統(tǒng)構(gòu)成由發(fā)送傳感器（

11、或稱波發(fā)送器）、接收傳感器（或稱波接收器） 控制部超聲波傳感器使用直徑為15mm左右的陶 的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量 器與放大電路組成，換能器分與電源部分 組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與 瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子 并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能接收波產(chǎn)生機 而對發(fā)送的超 以用做接收器 頻率、占空比械振動，將其變換成電能量，作 為傳感器接收器的輸出，從進行檢測.而實際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠旨跋∈枵{(diào)制和計數(shù)及探測距離等源（或稱信號源 ）可用 DC12V ± 10 %或主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈 進行控制。超聲波傳感器電 24V

12、 土 10 % 0工作模式超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測超聲波傳感器0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，包括煙塵環(huán) 境和雨天。檢測模式超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測 檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器 測到被測物。還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測 感器包括一個發(fā)射器和一個接收器，兩者之間 收器和發(fā)射器之間的被檢測物將會阻斷接收器 器將產(chǎn)生開關(guān)信號。模式。位于傳感器前面的被 的接收器，從而使傳感器檢模式。一套對射式超聲波傳 持續(xù)保持“收聽”。位于接 接收發(fā)射的聲

13、波，從而傳感檢測范圍和聲波發(fā)射角波長和頻率。波長越長,超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的超聲波傳感器相應(yīng)的電子線路位于常規(guī)傳 限的場合。的近點和遠(yuǎn)點或是測量范圍 ，但是不會觸發(fā)輸出狀態(tài)的 感器的響應(yīng)時間、回波損失 方向的設(shè)定調(diào)節(jié)等。其中最主要的影響因素是隨三!二鼻二頻率越小，檢 測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300500mm波長大于5mmS勺傳感器檢測范圍可達(dá)8m= 一些傳感器具有較 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 。另一些聲 波發(fā)射角 在12º至15º的傳感器能夠檢測具有較 大傾角的物體

14、 此外，我們還 有外置探頭型的超聲波傳感器，感器外殼內(nèi)。 這種結(jié)構(gòu)更適合檢測安裝空間有 傳感器調(diào)節(jié)幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關(guān)輸出 進行調(diào)節(jié)。在 設(shè)定范圍外的物體可以被檢測到 改變。一些傳 感器具有不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，如傳 性能，以及傳 感器與泵設(shè)備連接使用時對工作重復(fù)精度波長等因 素會影響超聲波傳感器的精度， 溫度U12 V13 Viq W 1HQ 嗎口系列超聲波傳感器變化的聲波速 使模擬量輸出 復(fù)精度。度，因而許多超聲波傳感器具有型的超聲波傳感器在一個寬溫度溫度補償?shù)奶匦浴Ｔ撎匦阅芊秶鷥?nèi)獲得高達(dá) 0.6mm的重型產(chǎn)品。一些產(chǎn)品還有2路 數(shù)產(chǎn)品系列都能提供具有模輸出功能所有系列的超聲波傳感器

15、都有開關(guān)量輸出 開關(guān)量輸出（如最小和最大液位控制）。大多 擬量電流或是 皿電壓輸出的產(chǎn)品。噪聲抑制波傳感器的參數(shù)賦值，這主 制電路。金屬敲擊 聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超聲 要是由于 頻率范圍的優(yōu)選和已獲專利的噪聲抑同步功能超聲波傳感器的同步功能可防 干擾。他們 通過將各自的同步線進超聲波傳感器超玄波傳聞器30系薊行簡單的連接樣工作，同時來實現(xiàn)同步功能。它們同時發(fā)射 具有擴展的檢測角度。聲波脈沖，象單個傳感器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 以交替方式工作的傳感器越多，響應(yīng)的開關(guān)頻檢測條件超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介 在其它氣體介 質(zhì)中工作，但需

16、要進行靈敏度的盲區(qū)直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測位 物體。由此， 超聲波換能器與檢測范圍起點之 器在這個區(qū)域 內(nèi)必須保持不被阻擋。相互獨立的，不會相互影響 率越低。質(zhì)中工作。這種傳感器也能 調(diào)節(jié)。于超聲波換能器前段的部分 間的區(qū)域被稱為盲區(qū)。傳感空氣溫度與濕度空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時間?？諝鉁囟让可仙?20ºC ,檢測對前三瑞聲便傳屈器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，濕度的增加將導(dǎo)致聲速最多增加2% 空氣壓力常規(guī)情況 下大氣變化土 5% （選一固定參考點）將導(dǎo)致檢測范圍變化±0.6%。大多數(shù)情況下，傳感 器在5Bar壓力下使

17、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不足道 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，因為對失真 變形的聲波的回聲進行計算 是非常困難的。標(biāo)準(zhǔn)檢測物采用正方形聲反射板用于額定開關(guān)距離sn的標(biāo)定。1mmW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 泵功能統(tǒng)的泵入泵出功能。當(dāng)一個 出動作。當(dāng)被測物靠近傳感 作

18、。可施行雙位置控制，例如一個液位控制系 被測物遠(yuǎn)離傳 感器到達(dá)檢測范圍的遠(yuǎn)點時，輸 器到達(dá)檢測范圍設(shè)定的近點時，輸出相反的動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 可以搭一個音頻振蕩電路，當(dāng) C1為3900仙F時，在反相器 腳與腳間可 產(chǎn)生一個1.9kHz左右的音頻信號。把要檢測 的超聲波傳感器 （發(fā)射和接收）接在腳與腳之間；如果傳感器能發(fā)出音頻聲 音，基本就可 以確定比超聲 波傳感器是好的。注：C1=3900p F 時，為 1.9kHZ 左右；C1=0.O1pF 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 的應(yīng)用

19、之一， 以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技 的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī) 超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損 診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)波診斷可以基 這個方法是利 抗不同的介質(zhì) 回聲在示波器 振幅的高低。在工業(yè)方 種。過去，許 感技術(shù)的出現(xiàn) 不同的裝置上于不同的醫(yī)學(xué)原理，其中有代表 用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人 界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回 的屏幕上顯示出來，而兩個界面面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬 多技術(shù)因為無法探測到物體組織 改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要 術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上 學(xué)中不可缺少的診斷方法。害、方法簡便、顯像清晰、 工作者和患者

20、的歡迎。超聲 性的一種所謂的 A型方法。 體組織中傳播遇到兩層聲阻 聲。每遇到一個反射面時， 的阻抗差值也決定了回聲的的無損探傷和超聲波測厚兩內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳聲波傳感，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。,器是 固定地安裝在在未來的應(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、高靈敏度的超聲波傳感器。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（12-16）,工作頻 率在40KHZ,遙控距離 約10米.遙控器的發(fā) 送， 這是由555時基電路組成的振蕩器，調(diào)整10KQ電位器，使振蕩頻率為40KHZ, 傳感器接在腳，接下按鈕時，發(fā)送出超聲波，

21、接收電路。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）。信號由超聲波接收器接收，經(jīng)Q1、Q2放大（L、C諧振槽路調(diào)諧在 40KH25 。放大后 的信號去觸發(fā) 由Q3、Q4組成的雙穩(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(fù)載接通。要負(fù)載 斷路，則要按一次發(fā)送鈕。液位指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

22、信號就小。接收到的信號經(jīng) BG1 BG2放大，經(jīng)D1、D2整流成直 流電壓。當(dāng)4.7KQ上的電壓 超過BG3的導(dǎo)通電壓 時、有電流 流過BG3,電 流表有指示，電流大小與液面有關(guān)。當(dāng)液位低于設(shè)置值時，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(dá)到控制的目的（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 氣體中傳播， 遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的 很多其它方法 液體，屬于非 因此性能穩(wěn)定、 滯后的實時測系統(tǒng)采用 出超聲波脈沖 射到接

23、收到所 間的距離，從 過溫度補償?shù)腣= 331.5傳播時間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有不可比擬的優(yōu)點：(1)無任何機械傳 動部件，也不接觸被測 接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，可靠 性高、壽命長；(2)其響應(yīng)時間短可 以方便的實現(xiàn)無 量。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)感器，測出超聲波脈沖從發(fā) 就能得到從傳感器到液面之 超聲波傳播速度的影響，通 高測量精度。計算公式為：T為環(huán)境溫度。與接收其回波的時間差；t1為,傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳 需的時間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速， 而確定液面?？紤]到環(huán)境溫度對 方法對傳播速度予以校正，以提 +

24、0.607T( 1)式中：V為超聲波 在空氣中傳播速度；S= V Xt/2 = VX ( t1 t0 ) /2 (2) 式中：S為被測距離；t為發(fā)射超聲脈沖超聲回波接收時刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時刻。利用 MCU勺捕獲功能可以很 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 MCU4用了具 有SOC寺點的混合信號處理器 ，其內(nèi)部 集成了溫度傳 感器,因此可利用 軟件很方便的 實現(xiàn)對傳感器的溫度補償。注意事項1:為確?？煽啃约伴L使用,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 折射可能會導(dǎo)致誤動作，風(fēng)吹時 檢出距離也會發(fā)生變化。因 此，不應(yīng)在強制通風(fēng)機之類的設(shè)備旁使用傳感器。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(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(xì)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)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，從而導(dǎo)致測量錯誤。暴