超聲波傳感器

尋艷芳

摘 要 超聲波傳感器是利用超聲波特性研制而成的傳感器。超聲波是指頻率高于20kHZ以上的機械波，由壓電晶體，在電壓的激勵下發生振動產生的。本文以超聲波的特性為出發點，來講述超聲波傳感器的原理及應用。

關鍵詞 超聲波 反射 衰減 振動 壓電晶體

中圖分類號：TB5 文獻標識碼：A

超聲波是指頻率高于20kHZ以上的機械波，它具有頻率高、穿透性強、方向性好等特點。超聲波傳感器正是利用超聲波特性研制而成的傳感器。

1 超聲波的特性

1.1 超聲波的反射和折射

當超聲波由一種介質入射到另外一種介質時，由于超聲波在兩種介質中的傳播速度不同，在這兩種介質分界面上將產生反射現象和折射現象。

1.2 超聲波的傳播

超聲波在氣體、液體、固體中都可以傳播，但是各自的傳播速度不同。聲波在固體中傳播最快，液體次之，氣體最慢。在空氣中，影響聲速的主要因素是溫度。

1.3 超聲波的衰減

超聲波在介質中傳播時，會被吸收而衰減。其中，在氣體中吸收最強，衰減最大，液體次之，固體中吸收最小，衰減最小。

2 超聲波傳感器的工作原理

超聲波傳感器是實現波、電轉換的裝置，主要進行超聲波的發射和接收，并將其轉換成相應的電信號。

2.1 超聲波的發射

超聲波的發射是利用壓電晶體，在電壓的激勵下產生振動，來發射超聲波的，也稱為電致伸縮現象。常用的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。

2.2 超聲波的接收

超聲波的接收和超聲波的發射是互為逆效應的。當超聲波作用到壓電晶體上時，使晶體片振動，晶體片的兩個面上將產生效應電荷，這種電荷被轉換成電壓，經過放大后被送到測量電路，最后記錄或顯示出結果。

3 超聲波傳感器的應用

3.1 超聲波測距器

超聲波在某一時刻發出一個超聲波信號，當超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器接收。這樣只要計算出發出信號到接收返回信號所用的時間，就可以計算出超聲波測距器到反射物體之間的距離。計算公式為：d=s/2=（v*t）/2

3.2 超聲波傳感器在醫學中的應用

超聲波在醫學中的應用主要是診斷疾病，它已經成為臨床醫學中不可或缺的診斷方法。超聲波診斷的優點是：對受檢者無痛苦、無損傷、方法簡便、圖像清晰、診斷的準確度高等。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質界面時，在該界面就會產生反射回聲。每遇到一個反射面時，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的回聲振幅的高低。

3.3 超聲波探傷

（1）穿透法探傷

穿透法探傷是根據超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判斷工件內部質量的方法。穿透法用兩個探頭，置于工件相對面，一個發射超聲波，一個接收超聲波。在探測中，若工件內沒有缺陷，接收能量大，儀表指示值大；若工件有缺陷時，接收能量小，儀表指示值小。根據這個變化，就可以把工件的內部缺陷檢測出來。

（2）反射法探傷

反射法探傷是以超聲波在不同工件反射情況的不同，來探測缺陷的方法。高頻脈沖發生器產生的脈沖加在探頭上，激勵壓電晶體振蕩，使之產生超聲波。超聲波以一定的速度向工件內部傳播。一部分超聲波遇到缺陷反射回來，另一部分超聲波繼續傳至工件底面，再反射回來。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收時，又變為電脈沖。發射波、缺陷波及底波經放大后，在顯示器的熒光屏上顯示出來。熒光屏上的水平亮線為掃描線，其長度與時間成正比。由發射波、缺陷波及底波在掃描線的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判斷缺陷的大小；由缺陷波的形狀，可分析缺陷的性質。

4 超聲波傳感器存在的問題

超聲波傳感器應用起來原理簡單、成本低，但也存在一些缺點，比如：反射問題、噪音、交叉問題。

（1）反射問題

如果被探測物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會獲得正確的角度。但是不幸的是，在實際使用中，很少被探測物體是能被正確的檢測的。其中可能會出現幾種誤差：三角誤差、鏡面反射、多次反射。這些問題可以通過使用多個按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數。

（2）噪音

雖然多數超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠遠高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環境也會產生類似頻率的噪音。這個問題可以通過對發射的超聲波進行編碼來解決。

（3）交叉問題

交叉問題是當多個超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機器人上的時候所引起的。解決的方法可以通過對每個傳感器發出的信號進行編碼。讓每個超聲波傳感器只聽自己的聲音。

隨著科學技術的快速發展，超聲波將在傳感器中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的傳感技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發展而又有無限前景的技術及產業領域。展望未來，超聲波傳感器作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發展，以滿足日益發展的社會需求。