Abstract: Ultrasonic sensor is a sensor developed by the characteristic of ultrasonic. Ultrasound is a kind of mechanical wave of vibration frequency is higher than the sound wave, can by changing the chip to vibration happens under the excitation of voltage, it has a higher frequency, shorter wavelengths, small diffraction phenomenon, especially good directivity, can become rays and directional transmission, etc. Ultrasound is very capable of penetrating fluids and solids, especially in the opaque solid, which can penetrate dozens of meters deep. The ultrasonic wave encounters the impurities or the boundary surface produces a significant reflection forming reflection into the echo, touching the moving object can produce doppler effect. The sensor based on ultrasonic characteristics is called "ultrasonic sensor", which is widely used in industry, national defense and biomedicine.

Key words: Ultrasonic   Sensor   Principle   System mode   Application

【中图分类号】TP212.4+2 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2018）01-0000-00

1 引言

人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ 超声波传感器范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。

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。

2 原理、结构与应用　　

超声波传感器，用于完成对超声波的发送和接受。由于超声波振动频率高于机械波，具有波长短、频率高、绕射现象小、方向性好、穿透本领强、具有多普勒效应等特点，因此基于超声波的特性研制出超声波传感器，并在工业、生物医学、国防等各个领域得到广泛应用。

超声波传感器主要由发送器部分、接收器部分、控制部分和电源部分构成。其中，发送器部分由发送器和换能器构成，换能器用于将振子振动产生的能量转换为超声波的形式并向空中辐射；接收器部分由换能器和放大电路构成，换能器用于接收超声波产生机械振动以将其转换为电能;控制部分主要完成对整体系统工作的控制，如控制发送器发送超声波、判断接收器是否接受超声波、识别已接受超声波的大小等等；电源部分主要为系统的工作提供能量。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。

2.1 超声波传感器的特点和工作原理

由于超声波探测器具有很强的穿透力，碰到物体会反射并具有多普勒效应，因此其在国防、医学、工业等方面有着广泛的应用。在医学方面，超声波传感器主要用于无痛、无害、简便地诊断疾病；在工业方面，超声波传感器主要用于对金属的无损探伤和超声波测厚；在汽车方面，超声波传感器主要用于防止踩刹车时误踩为油门现象的发生，通过在汽车前后安装8个超声波传感器来实现；除此之外，利用超声波的这一特性，还可将其用于对集装箱状态的检测、对液位的监测、实现塑料包装检测的闭环控制等等。

　　(1)超声波传感器主要通过发送超声波并接受超声波来对某些参数或事项进行检测。发送超声波由发送器部分完成，主要利用振子的振动产生并向空中辐射超声波；接收超声波由接收器部分完成，主要接受由发送器辐射出的超声波并将其转换为电能输出；除此之外，发送器与接收器的动作都受控制部分控制，如控制发送器发出超声波的脉冲连频率、占空比、探测距离等等;整体系统的工作也需能量的提供，由电源部分完成。这样，在电源作用下、在控制部分控制下，通过发送器发送超声波与接收器接收超声波便可完成超声波传感器所需完成的功能。

(2)超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡(横波)及纵和振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。

(3)超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、 超声波传感器测量、防盗等用途。

(4)超声波应用有三种基本类型。

①透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等。

②分离式反射型用于测距、液位或料位。

③反射型用于材料探伤、测厚等。

(5)超声波传感器通常由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

2.2 超声波传感器的性能指标

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，特别是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。

2.3 医用超声波仪器

医学应用是超声波最主要的应用领域。医学超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。

2.4 工业超声波仪表

(1)工业探伤。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。

(2)液位监控。液位指示及控制器由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低则信号就小。

(3)传感介质物理。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。

(4)反射式。超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。

(5)对射式。部分超声波传感器采用对射式的检测模式。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生开关信号。

(6)检测范围和声波发射角。超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6&ordm；声波发射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12&ordm；至15&ordm；的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。

(7)传感器调节。几乎所有的超声波传感器都能对开关输出的近点和远点或是测量范围进行调节。在设定范围外的物体可以被检测到，但是不会触发输出状态的改变。一些传感器具有不同的调节参数，如传感器的响应时间、回波损失性能，以及传感器与泵设备连接使用时对工作方向的设定调节等。

(8)重复精度。波长等因素会影响超声波传感器的精度，其中最主要的影响因素是随温度变化的声波速度，因而许多超声波传感器具有温度补偿的特性。该特性能使模拟量输出型的超声波传感器在一个宽温度范围内获得高达0.6mm的重复精度。

(9)输出功能。所有系列的超声波传感器都有开关量输出型产品。一些产品还有2路开关量输出(如最小和最大液位控制)。大多数产品系列都能提供具有模拟量电流或是模拟电压输出的产品。

(10)噪声抑制。金属敲击声、轰鸣声等噪声不会影响超声波传感器的参数赋值，这主要是由于频率范围的优选和噪声抑制电路。

(11)同步功能。超声波传感器的同步功能可防干扰。他们通过将各自的同步线进行简单的连接来实现同步功能。它们同时发射声波脉冲，象单个传感器一样工作，同时具有扩展的检测角度。

(12)空气介质。超声波传感器特别适合在“空气”这种介质中工作。这种传感器也能在其它气体介质中工作，但需要进行灵敏度的调节。

(13)监控盲区。直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体。由此，超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区。传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。

(14)空气温度与湿度。空气温度与湿度会影响声波的行程时间。空气温度每上升20&ordm；C，检测距离至多增加3.5%。在相对干燥的空气条件下，湿度的增加将导致声速最多增加2%。

3 结束语

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。

参考文献

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