發布日期：2022-10-09 點擊率：131
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超聲波傳感器
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超聲波傳感器是將超聲波信號轉換成其它能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波。它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。超聲波傳感器廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。
中文名
超聲波傳感器
外文名
Ultrasonic sensor
所屬類別
傳感器 物理學
原 理
超聲換能器
適用領域
工業、國防、生物醫學
產 地
中國-深圳
目錄
1
組成部分
2
性能指標
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工作頻率
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工作溫度
?
靈敏度
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指向性
3
相關應用
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主要應用
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具體應用
4
工作相關
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工作原理
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工作程式
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工作模式
5
系統構成
6
檢測方式
7
檢測好壞
8
液位測試
9
其他
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區分
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注意事項
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暴露問題
超聲波傳感器組成部分
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語音
中國制造的超聲波傳感器
常用的超聲波傳感器由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（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（一個探頭發射、一個探頭接收）等。
超聲波傳感器性能指標
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超聲波傳感器
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，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：
超聲波傳感器工作頻率
工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
超聲波傳感器工作溫度
超聲波傳感器
由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。
超聲波傳感器靈敏度
主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。
超聲波傳感器指向性
超聲波傳感器探測的范圍
超聲波傳感器相關應用
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語音
超聲波傳感器主要應用
超聲波傳感器
超聲波傳感技術應用在生產實踐的不同方面，而醫學應用是其最主要的應用之一，下面以醫學為例子說明超聲波傳感技術的應用。超聲波在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫學原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。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了回聲的振幅的高低。
超聲波傳感器
在工業方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應用中，超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來，將出現更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波距離傳感器技術應用超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應用在物位（液位）監測，機器人防撞，各種超聲波接近開關，以及防盜報警等相關領域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發射夾角較小，靈敏度高，方便與工業顯示儀表連接，也提供發射夾角較大的探頭。
超聲波傳感器具體應用
一、超聲波傳感器可以對集裝箱狀態進行探測。將超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部，向集裝箱內部發出聲波時，就可以據此分析集裝箱的狀態，如滿、空或半滿等。二、超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規則物體。但不適用于室外、酷熱環境或壓力罐以及泡沫物體。三、超聲波傳感器可以應用于食品加工廠，實現塑料包裝檢測的閉環控制系統。配合新的技術可在潮濕環如洗瓶機、噪音環境、溫度極劇烈變化環境等進行探測。
[1]
四、超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料，控制張力以及測量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗煤的設備運、塑料加工以及汽車行業等。超聲波傳感器可用于流程監控以提高產品質量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。使用超聲波傳感器技術防止踩錯踏板日產汽車開發出了防止在要踩剎車時誤踩成油門而使車輛加速的功能，使用攝像頭和超聲波傳感器推斷出“要在停車場上停車”的情況時，如果駕駛員踩成了油門就會強制剎車。該技術預定在2～3年內實用化。超聲波傳感器技術就是為了防止在停車場停車時踩錯剎車和油門造成事故而開發的。該技術是使用在車輛前后左右各配備一個的四個攝像頭和前保險杠、后保險杠各配備四個共八個超聲波傳感器實現的。4個攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環視顯示器”的攝像頭。利用攝像頭識別出白線等以推斷汽車位于停車場，利用超聲波傳感器測量出汽車與周圍障礙物之間的距離來確定剎車時機。防止因踩錯剎車和油門而造成事故分兩步實施。當駕駛員在停車場想停車時，如果踩成了油門，則首先將車速減至蠕滑速度，用儀表板的圖標來提示危險，并響起警報聲。如果駕駛員仍繼續踩油門而即將撞上墻壁等物體時，則強制剎車。剎車時機為保證汽車在與障礙物相距20～30cm左右時可以停下來。
超聲波傳感器工作相關
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語音
超聲波傳感器工作原理
超聲波傳感器
人們能聽到聲音是由于物體振動產生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內，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中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通訊，醫療家電等各方面得到廣泛應用。
超聲波傳感器
超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，所以它可以分成發送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示發送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，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用，它的性能較好。超聲波應用有三種基本類型，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。由發送傳感器(或稱波發送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉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，從而對發送的超聲波信號進行檢測.而實際使用中，用作發送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對發送器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。
超聲波傳感器工作程式
超聲波傳感器
若對發送傳感器內諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發送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路調制)，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的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發生應變，則產生一面為“+ ”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，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時發出警告。所設計的檢測系統可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區內障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報警檢測系統，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。
超聲波傳感器工作模式
超聲波傳感器
超聲波傳感器利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。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、粉狀物質均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環境條件的影響，包括煙塵環境和雨天。檢測模式超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發射的聲波部分地發射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對射式超聲波傳感器包括一個發射器和一個接收器，兩者之間持續保持“收聽”。位于接收器和發射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發射的聲波，從而傳感器將產生開關信號。檢測范圍
超聲波傳感器
超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，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300~500mm波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達8m。一些傳感器具有較窄的6o聲波發射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發射角在12o至15o的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應的電子線路位于常規傳感器外殼內。這種結構更適合檢測安裝空間有限的場合。調節幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關輸出的近點和遠點或是測量范圍進行調節。在設定范圍外的物體可以被檢測到，但是不會觸發輸出狀態的改變。一些傳感器具有不同的調節參數，如傳感器的響應時間、回波損失性能，以及傳感器與泵設備連接使用時對工作方向的設定調節等。重復精度
超聲波傳感器
波長等因素會影響超聲波傳感器的精度，其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器具有溫度補償的特性。該特性能使模擬量輸出型的超聲波傳感器在一個寬溫度范圍內獲得高達0.6mm的重復精度。輸出功能所有系列的超聲波傳感器都有開關量輸出型產品。一些產品還有2路開關量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數產品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產品。噪聲抑制金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超聲波傳感器的參數賦值，這主要是由于頻率范圍的優選和已獲專利的噪聲抑制電路。同步功能
超聲波傳感器
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行簡單的連接來實現同步功能。它們同時發射聲波脈沖，象單個傳感器一樣工作，同時具有擴展的檢測角度。交替工作超聲波傳感器 超長掃描型以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨立的，不會相互影響。以交替方式工作的傳感器越多，響應的開關頻率越低。檢測條件超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質中工作，但需要進行靈敏度的調節。盲區直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測位于超聲波換能器前段的部分物體。由此，超聲波換能器與檢測范圍起點之間的區域被稱為盲區。傳感器在這個區域內必須保持不被阻擋。溫濕度
超聲波傳感器
空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時間。空氣溫度每上升20oC，檢測距離至多增加3.5%。在相對干燥的空氣條件下，濕度的增加將導致聲速最多增加2%。空氣壓力常規情況下大氣變化±5%（選一固定參考點）將導致檢測范圍變化±0.6%。大多數情況下，傳感器在5Bar壓力下使用沒有問題。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。標準檢測物采用正方形聲反射板用于額定開關距離sn的標定。1mm的厚度垂直性：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EN的符合DIN-9泵功能可施行雙位置控制，例如一個液位控制系統的泵入泵出功能。當一個被測物遠離傳感器到達檢測范圍的遠點時，輸出動作。當被測物靠近傳感器到達檢測范圍設定的近點時，輸出相反的動作。
超聲波傳感器系統構成
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超聲波傳感器主要由如下四個部分構成：發送器：通過振子（一般為陶瓷制品，直徑約為15 mm）振動產生超聲波并向空中幅射。接收器：振子接收到超聲波時，根據超聲波發生相應的機械振動，并將其轉換為電能量，作為接收器的輸出。控制部分：通過用集成電路控制發送器的超聲波發送，并判斷接收器是否接收到信號（超聲波），以及已接收信號的大小。電源部分：超聲波傳感器通常采用電壓為DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流電源供電，經內部穩壓電路供給傳感器工作。
超聲波傳感器檢測方式
編輯
語音
根據被檢測對象的體積、材質、以及是否可移動等特征，超聲波傳感器采用的檢測方式有所不同，常見的檢測方式有如下四種：穿透式：發送器和接收器分別位于兩側，當被檢測對象從它們之間通過時，根據超聲波的衰減（或遮擋）情況進行檢測。限定距離式：發送器和接收器位于同一側，當限定距離內有被檢測對象通過時，根據反射的超聲波進行檢測。限定范圍式：發送器和接收器位于限定范圍的中心，反射板位于限定范圍的邊緣，并以無被檢測對象遮擋時的反射波衰減值作為基準值。當限定范圍內有被檢測對象通過時，根據反射波的衰減情況（將衰減值與基準值比較）進行檢測。回歸反射式：發送器和接收器位于同一側，以檢測對象（平面物體）作為反射面，根據反射波的衰減情況進行檢測。
超聲波傳感器檢測好壞
編輯
語音
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C1為390OμF時，在反相器⑧腳與⑩腳間可產生一個1.9kHz左右的音頻信號。把要檢測的超聲波傳感器(發射和接收)接在⑧腳與⑩腳之間;如果傳感器能發出音頻聲音，基本就可以確定此超聲波傳感器是好的。注：C1=3900μF時，為1.9kHZ左右；C1=0.O1μF時，約0.76kHZ。
超聲波傳感器液位測試
編輯
語音
超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發出的超聲脈沖信號，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傳播時間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩定、可靠性高、壽命長；（2）其響應時間短可以方便的實現無滯后的實時測量。系統采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發射傳感器發出超聲波脈沖，傳到液面經反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發射到接收到所需的時間，根據媒質中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面。考慮到環境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償的方法對傳播速度予以校正，以提高測量精度。計算公式為：V=331.5+0.607T （1）式中：V為超聲波在空氣中傳播速度；T為環境溫度。S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）式中：S為被測距離；t為發射超聲脈沖與接收其回波的時間差；t1為超聲回波接收時刻；t0為超聲脈沖發射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時刻和t1時刻，根據以上公式，用軟件編程即可得到被測距離S。由于本系統的MCU選用了具有SOC特點的混合信號處理器，其內部集成了溫度傳感器，因此可利用軟件很方便的實現對傳感器的溫度補償。
超聲波傳感器其他
編輯
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超聲波傳感器區分
超聲波傳感器與聲納傳感器的區別聲納傳感器和超聲波傳感器是經常聽說的兩種探測裝置，很多人認為這兩種是一種傳感器，這兩種傳感器之間有什么區別呢？
高頻超聲波傳感器
聲納傳感器直接探測和識別水中的物體和水底的輪廓，聲納傳感器發出一個聲波信號，當遇到物體后會反射回來，依據反射時間及波型去計算它的距離及位置。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生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。聲納傳感器主要用于探測生物，比如用于探測水底有哪些生物，生物體形有多大等。經常問你聽說的用于探測水怪的裝置就是聲納傳感器。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。在工業方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。超聲波傳感器在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。
超聲波傳感器注意事項
1：為確保可靠性及長使用壽命，請勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器
[2]
。2：由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會導致誤動作，風吹時檢出距離也會發生變化。因此，不應在強制通風機之類的設備旁使用傳感器。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：不能在真空區或防爆區使用傳感器。7：請勿在有蒸汽的區域使用傳感器；此區域的大氣不均勻。將會產生溫度梯度，從而導致測量錯誤。
超聲波傳感器暴露問題
超聲波傳感器應用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是超聲波傳感器都有一些缺點，比如，反射問題，噪音，交叉問題。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：三角誤差當被測物體與傳感器成一定角度的時候，所探測的距離和實際距離有個三角誤差。鏡面反射這個問題和高中物理中所學的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產生回波，也就無法產生距離讀數。這時超聲波傳感器會忽視這個物體的存在。多次反射這種現象在探測墻角或者類似結構的物體時比較常見。聲波經過多次反彈才被傳感器接收到，因此實際的探測值并不是真實的距離值。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。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。比如，電機在轉動過程會產生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產生的高頻噪音，機器人本身的抖動，甚至當有多個機器人的時候，其它機器人超聲波傳感器發出的聲波，這些都會引起傳感器接收到錯誤的信號。這個問題可以通過對發射的超聲波進行編碼來解決，比如發射一組長短不同的音波，只有當探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進行距離計算。這樣可以有效的避免由于環境噪音所引起的誤讀。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。超聲波X發出的聲波，經過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時Z和Y會根據這個信號來計算距離值，從而無法獲得正確的測量。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。
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.
超聲波傳感器的應用
．傳感器交易網[引用日期2012-12-21]
2.
超聲波傳感器的使用注意事項
．傳感器[引用日期2012-12-21]
描述
超聲波傳感器是利用超聲波的特性，將超聲波信號轉換成電信號的傳感器。在講述超聲波傳感器之前，我們先來了解一下超聲波。
超聲波
聲波是一種能在氣體、液體、固體中傳播的機械波。聲波按頻率可分為次聲波、聲波和超聲波。
聲波頻率在 16Hz-20kHz 之間，是能為人耳所聞的機械波；次聲波就是頻率低于16 Hz 的機械，而波超聲波則是頻率高于20kHz的機械波 。
超聲波的特性是頻率高、波長短、繞射現象小。它最顯著的特性是方向性好，且在液體、固體中衰減很小，穿透本領大，碰到介質分界面會產生明顯的反射和折射，因而廣泛應用于工業檢測中。
超聲波的傳播速度：超聲波通常有縱波、橫波及表面波，他們的傳播速度，取決于介質的彈性常數及介質密度。氣體和液體中只能傳播縱波，氣體中聲速為344m/s，液體中聲速為900-1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關系。通常可認為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90% 。
超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。能量的衰減決定于超聲波的擴散、散射和吸收。
以超聲波作為檢測手段，能產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器。
超聲波傳感器
性能指標
超聲波傳感器的主要性能指標，包括；
（1）工作頻率。
工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
（2）工作溫度。
由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產生失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。
（3）靈敏度。
主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。
工作原理
超聲波傳感器按其工作原理，可分為壓電式、磁致伸縮式 、電磁式等，以壓電式最為常用。
壓電式超聲波傳感器
壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應原理來工作的。常用的敏感元件材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷。
根據正、逆壓電效應的不同，壓電式超聲波傳感器分為發生器（發射探頭）和接收器（接收探頭） 兩種，根據結構和使用的波型不同可分為直探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、可變角探頭、雙晶探頭、聚焦探頭、水浸探頭、噴水探頭和專用探頭等。
壓電式超聲波發生器是利用逆壓電效應的原理將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波。當外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會產生共振，此時產生的超聲波最強。壓電式超聲波傳感器可以產生幾十千赫到幾十兆赫的高頻超聲波，其聲強可達幾十瓦每平方厘米。
壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應原理進行工作的。當超聲波作用到壓電晶片上引起晶片伸縮，在晶片的兩個表面上便產生極性相反的電荷，這些電荷被轉換成電壓經放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。壓電式超聲波接收器的結構和超聲波發生器基本相同，有時就用同一個傳感器兼作發生器和接收器兩種用途。
典型的壓電式超聲波傳感器結構主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜等組成。壓電晶片多為圓板形，超聲波頻率與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導電的極板，底面接地，上面接至引出線。為了避免傳感器與被測件直接接觸而磨損壓電晶片，在壓電晶片下粘合一層保護膜。吸收塊的作用是降低壓電晶片的機械品質，吸收超聲波的能量。
磁致伸縮式超聲波傳感器
鐵磁材料在交變的磁場中沿著磁場方向產生伸縮的現象，稱為磁致伸縮效應。磁致伸縮效應的強弱即材料伸長縮短的程度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應最大，如果先加一定的直流磁場，再通以交變電流時，它可以工作在特性最好的區域。磁致伸縮傳感器的材料除鎳外，還有鐵鉆釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。它們的工作效率范圍較窄，僅在幾萬赫茲以內，但功率可達十萬瓦，聲強可達幾千瓦每平方毫米，且能耐較高的溫度。
磁致伸縮式超聲波發生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產生機械尺寸的交替變化即機械振動，從而產生出超聲波。它是用幾個厚為0.1-0.4mm的鎳片疊加而成，片間絕緣以減少渦流損失，其結構形狀有矩形、窗形等。
磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材料伸縮，從而導致它的內部磁場（ 即導磁特性）發生改變。根據電磁感應，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應電動勢。此電勢送到測量電路，最后記錄或顯示出來。
選型要求
在選擇和安裝超聲波傳感器的時候都需要明確一些基本條件，不然就會直接影響著傳感器的測量結果。
探測范圍和大小
要探測的物體大小直接影響超聲波傳感器的檢測范圍。傳感器必須探測到一定聲級的聲音才可以進行輸出。大部件能將大部分聲音反射給超聲波傳感器，這樣傳感器即可在其最遠傳感距離檢測到此部件。小部件僅能反射較少的一部分聲音，從而導致傳感范圍大大縮小。
探測物體的特點
使用超聲波傳感器探測的理想物體應體積大、平整且密度高，并與變換器正面垂直。最難探測的物體是體積小且由吸音材料制成的物體，或者與變換器呈一定角度的物體。
如果液面靜止且與傳感器表面垂直，探測液體就很容易。如果液面波動大，可延長傳感器的響應時間，從而取波動變化的平均值以獲得更一致的讀數。但是，超聲波傳感器還不能精確探測表面為泡沫狀的液體，因為泡沫會使聲音的傳播方向發生偏離。
這時可以使用超聲波傳感器的反向超聲模式，探測形狀不規則的物體。在反向超聲模式下，超聲波傳感器會探測一個平整背景，如墻壁。任何穿過傳感器和墻壁之間的物體都會阻斷聲波。傳感器即可通過探測該干擾來識別物體的存在。
溫度導致的衰減
傳感器還設計了溫度補償功能，以調節環境溫度的緩慢改變。但是，它不能調節溫度梯度或環境溫度的快速變化。
周圍是否有振動
無論是傳感器本身的振動還是附近機器的振動，都可能會影響測量距離時的精確度。可在安裝傳感器時用橡膠防振裝置來減少這類問題。有時也可使用導軌來消除或降低部件振動。
環境導致的誤測
附近的物體可能會反射聲波。要準確探測目標物體，必須降低或消除附近聲音反射表面的影響。為了避免誤測附近物體，許多超聲波傳感器都裝有LED指示燈，用于在安裝時指示操作人員，以確保正確安裝傳感器并降低誤測風險。
超聲波傳感器對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測，它對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環境條件的影響，包括煙塵環境和雨天。
注意事項
根據超聲波傳感器的特點和使用中的不同情況，需要注意一下幾點：
1、為確保可靠性及延長使用壽命，請勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器。
2、細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）。
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、由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會導致誤動作，風吹時檢出距離也會發生變化。因此，不應在強制通風機之類的設備旁使用傳感器。
6、請勿在有蒸汽的區域使用傳感器;此區域的大氣不均勻。將會產生溫度梯度，從而導致測量錯誤
7、不能在真空區或防爆區使用傳感器。
超聲波傳感器與聲納傳感器的區別
說到超聲波傳感器，經常會引出聲納傳感器，很多人認為這兩種是一種傳感器，這兩種傳感器之間有什么區別呢？
聲納傳感器直接探測和識別水中的物體和水底的輪廓，聲納傳感器發出一個聲波信號，當遇到物體后會反射回來，依據反射時間及波型去計算它的距離及位置。 聲納傳感器主要用于探測生物，比如用于探測水底有哪些生物，生物體形有多大等。經常問你聽說的用于探測水怪的裝置就是聲納傳感器。
超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。在工業方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。超聲波傳感器在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。
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書
?
?
一種超聲波傳感器指標檢測技術
?
技術領域
?
本發明涉及超聲波傳感器指標檢測技術
。
?
?
背景技術
?
超聲波傳感器是一種壓電陶瓷器件，
它通過壓電效應來實現機械能和電能的
雙向轉換。
它的傳播速度為
344m/s(25
度
)
工作頻率一般在
20kHz
～
200kHz,
通過
反射及多譜勒效應來確定障礙物的距離及相對速度。
探測距離一般在
1
米～
2
米
.
它廣泛地應用在倒車聲納、
防盜報警、
流量計、
停車計時、
自動門等產品系統中。
?
超聲波傳感器系統的詳細工作流程為：
控制器通過驅動電路驅動超聲波傳感
器
（收發一體集成式）
通過壓電轉換，
發出一束短促的、
固定頻率的超聲波信號，
當這束超聲波脈沖遇到障礙物時就會發生反射，
接收傳感器將會收到反射的機械
回波，再通過壓電轉換，回波電信號經過放大、濾波、檢波等處理后，控制器根
據發射超聲波與接收到反射回波之間的時間間隔，
計算出傳感器與障礙物之間的
距離。
?
以下為它的一些主要參數：
?
聲壓特性
?
聲
壓
(SPL)
是
表
示
傳
感
器
發
射
音
量
大
小
的
參
數
。
用
下
列
公
式
表
示
：
SPL=20logP/Pre(dB)
“
P
”為有效聲壓，
“
Pre
”為參考聲壓（
2
×
10-4ubar
）
，超
聲波傳感器的發射聲壓一般為≧
100dB.?
靈敏度
?
靈敏度是表示傳感器接收能力強弱的參數，用如下公式表示：
20logE/P(dB)?
“
E
”為產生的電壓值（
VRMS
）
，
“
P
”為輸入的聲壓（
ubar
）
。超聲波傳感器的靈
敏度一般為
-60dB~-85dB.?
探測包絡
?
傳感器的可探測區域是不規則的，
一般在正后方最強，
距離越遠衰減越快；
在斜
方向的反射較弱，總體可探測區域呈扇形分布。
?
常規超聲波傳感器的檢測流程如下：
?
1
、
設置一個屏蔽箱，
在屏蔽箱內指定的最遠探測距離位置
(1.5m
～
2
米
m)
放一個
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，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括： （1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產生失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。
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