超声波传感器工作原理及在测量中的应用
[摘要]
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
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[正文]：
1.超声波传感器结构、工作原理
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探
头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。
超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。
工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。
由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。
医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。
主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。
另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。
利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。
相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。
基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。
该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。
谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。
室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。
压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。
底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。
对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。
利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz的情况下，是不可能达到此目的的。
所以，在高频率探测中，必须使用垂直厚
度振动模式的 压电陶瓷。
在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配
就变得十分重要。
压电陶瓷的声阻抗为2.6×107kg/m2s ，而空气的声阻抗
为 4.3×102kg/m2s 。
5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大
量损失。
一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气
的声阻 抗相匹配。
这种结构可以使超声波传感器在高达数百kHz 频率的情
况下，仍然能够正常工作。
2.超声波传感器的应用
2.1、超声波流量传感器
超声波流量传感器的测定方法是多样的， 如传播速度变化法、波速移
动法、多卜勒效应法、流动听声法等。
但目前应用较广的主要是超声波传
播时间差法。
超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同
的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积， 便可
知道流体的流量。
如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以
接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L, 如图所示。
超声波测流示意图
超声波传感器2超声波传感器1v c L t v c L t -=+=21
一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度， 因此超声波传播时间差为
由于c>>v , 从上式便可得到流体的流速， 即
超声波传感器安装位置
此时超声波的传输时间将由下式确定：
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、高粘度的流体，还是浆状流体，只要能传输超声波2
2122v c Lv t t t -=-=∆t L c v ∆=22超声波传感器2
θθ
θθsin cos sin cos 21v c D t v c D t -=+=
的流体都可以进行测量。
超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量。
还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。
多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。
相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。
但相关器价格贵，线路比较复杂。
在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。
噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。
其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。
2.2超声波探伤
对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。
这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。
(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，来判别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。
发射波可以是连续波，也可以是脉冲。
在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。
根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。
(2) 反射法探伤 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。
下面以纵波一次脉冲反射为例，说明检测原理。
高频脉冲发生器产生的脉冲(发射波)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F 时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面B ，也反射回来。
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f 、缺陷波F 及底波经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。
荧光屏上的水平亮线为扫描线(时间基准)，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，可判断缺陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。
当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T 、F 波，没有B 波。
当工件无缺陷时，荧光屏上只有T 、B 波，没有F 波。
超声波探伤的优点是检测厚度大、灵敏度高、速度 快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。
然而，超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主、客观因素的影响，以及探伤结果不便保存等，使超声波探伤也有其局限性。
总的来说，这些问题主要是由于超声波传感器多采用压电陶瓷材料的原因，其它材料或结构的超声波传感器，目前在国内几乎见不到。
穿透法探伤示意图
B
反射法探伤示意图。