超声波传感器及应用我要打印我要留言查看留言文章来源：中国功率超声网添加人：admin 添加时间：2006-6-23 16:11:45来自：转载原理简述：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。

结构与工作原理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。

如超声波传感器示意图所示 (图2)，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。

图3 显示的是复合式振动器的振动有限元素法模拟图。

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。

(参见图4)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。

结构与工作原理超声波距离传感器技术原理与应用超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便，防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。

1、超声波测距仪：HpAWK超高能声波测距技术HpAWK系列产品使超声波测距技术有了重大的突破，它不仅拓宽了超声波测距技术的应用场合（适用极恶劣工的工作环境），而且使用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户使用无后顾之忧。

优秀的回波处理技术，5－50KHZ的超高强发波频率使HAWK物位计最大量程可达到120米，适用介质温度为–20℃—+175℃。

智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。

HpAWK系列产品还拥有灵活多变的工作方式（供电电源可为12VDC、24VDC、110VAC、220VAC;二/三/四线制同一仪表中可随意组合。

它还拥有先进的远程GSM、CDMA、互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。

HpAWK产品以它尖端的技术稳定可靠的工作质量，在化工、电力、冶金、煤矿、码头、水处理、轻工及食品卫生等行业得到广泛的应用。

2、超声波探鱼器：超声波探鱼器的原理超声波测量技术其原理很简单，说得高档点的名称叫“多普拉效应”，山村孩童便叫“回音”，就如在一山谷叫一声“你好吗”，不一会听见好像有人学你的说话一样“你...好...吗...”。

人们正由此点，开发出超声波测量技术。

像自然界中，以蝙蝠都可算为代表了，在蝙蝠洞里既要觅食，又要用声波测距，而要在洞内用超声波测距是一件很困难的事情，很先进的科技产品也做不到。

在空中，当声音鼓动空气而向前传递讯息时，遇到大小不同、软硬不一的物体时，其会产生相应强弱的反射声音，而我们以咪高峰接收此反弹回来的声音，计算其反弹的时间差距，从而可了解前面物体与你的距离，由其反弹的强弱，得知物体的大小，此为超声波在空中测量的应用原理，一如在机场使用的雷达。

在水中的情况便有分别，因为水的密度与空气的密度明显不同，同样强度的声音，水中传递和空中传递，完全是两码子的事，故此我们在水中使用超声波探测，先决条件是功率要强大，才能有反弹回来的讯号。

1950年代，美国海军的潜艇搜寻技术已充分发展，要搜寻潜艇已不容易，更何况比潜艇小得多的鱼，要从中取得突破，必先从超声波的特性中，找出其奥妙。

原来除了功率强大外，其频率高低亦具决定性，而接收讯号后的分析技术，更不容缺少。

要在众多讯号中分辨出合适的数据是相当困难的。

正因如此，在往后美国民间的不断开发，才渐渐开始有捕鱼船安装了专为搜鱼的超声波探鱼器。

而直至目前为止，海洋中使用的超声波探测技术，无论是理论或产品，都以美国为主，后起之日本及德国，亦是近年来才能加入。

至于中国，在2001年的国际产品展览会中，才有这方面的产品，填补这方面的空白，这就是香港金时(科技)公司，不断努力研制并生产的便携式探鱼器。

且与国外主要品牌并驾齐驱，成为真正的高新技术之便携式探鱼器。

在医学检测上的应用：B超用于检测液位的超声波传感器：● 声波漫反射式接近传感器用于检测液位● 声波反射式设计用于检测远处的目标.● 声波接近传感器可有模拟量输出,可适用于精确的连续控制.● 模拟量输出信号和被测物距离的线性斜率可调,满足各种控制要求.● 声波接近传感器可有两个开关点设置,并可通过按钮方便的设置.● 方形和原柱形设计满足不同的现场安装要求.3 超声波传感器在质检方面的应用——超声波探伤仪超声波探伤仪主要应用于金属工件内部的质量检测，如检测金属是否有气泡，焊接部位是否有未焊透等缺陷等。

现以超声波电子束焊缝检测系统为例来说明超声波探伤仪的应用：超声波传感器在主动悬挂系统中的应用研究（Research and Application of Ultrasonic Sensors in Active Susp ension Systems）摘要:采用多超声波传感器对履带车辆前方路面信息进行探测，特别是履带前方近距离的凸堆和凹坑，确定它们的距离、方位和高度等信息。

并对超声波传感器的设置、系统硬件实现和软件流程设计进行了探讨；最后就精确感知路面信息提出了进一步的改进方案。

关键词:超声波传感器；路面信息；主动悬挂系统Abstract: Ultrasonic sensors are used to detect front road surf ace's information , especially toobtain raised clods and low pits' information about distance ,o rientation and height, which are innear distance ahead of tracks. Moreover, the setting of ultraso nic sensors 、the achievement ofsystem hardware and the design on the process of software of ar e discussed. Finally fartherimprovement is put forwarded to detect road surface's informati on accurately.Key words: ultrasonic sensors; information of road surface; act ive suspension systems1 、引言振动历来是困扰履带车辆发展的一个难题，为了减小振动，提高车速和行驶平顺性，并为乘员提供一个舒适的环境。

技术人员在减振方面作了大量的研究，当前普遍采用的被动式悬挂系统不失为一种有效的方法。

为了进一步提高减振效果，一种新的悬挂系统主动悬挂系统应运而生，它能根据路面的情况实时调整减振弹簧与阻尼之间的优化比，从而达到减振缓冲的目的。

该系统主要有传感器件、控制器件和执行器件三部分组成。

传感器件将实时探测到的车辆前方路面的信息传输给控制器件的核心部件单片机，由单片机对信息进行分析处理，然后对执行器件发出指令，由执行器件对悬挂系统进行控制，调整系统参数并产生主动控制力，从而达到减振目的。

主动式悬挂系统是一个复杂的系统，其中传感器在整个系统中起着至关重要的作用。

本文仅就传感器的应用情况进行了分析，并对超声波传感器在主动悬挂系统中应用进行了研究。

2 、超声波传感器的基本原理超声波传感器是用双压电陶瓷晶片制成，在压电陶瓷晶片加上大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，并产生机械波，这种机械波的大小和方向，是与外加电压的大小和方向成正比的。

与此相反，如果在压电陶瓷晶片上有机械波作用，则将会使其产生机械变形并进而产生电压信号。

超声波在空气中传播时，如果遇到其它媒介，则因两种媒介的声阻抗不同而产生反射。