关于超声波传感器研究

1、超声波传感器摘要许多仪器及控制应用中均涉及到超声波传感器，尤其是在医学检 测、流量测量、材料无损检验及物位测量等方面，超肃波传感器的应用尤为普遍。 并r随着科学技术的快速发展，超声波在传感器屮的应用越来越广，超声波传感 器是贯穿很多技术和应用领域的关键技术，有很大的发展前景。引言 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，利用超声波的特性，可 做成各种超声波传感器，配上不同的电路，制成各种超肃测量仪器及装置，并在 各个行业得到广泛应用。例如，地而不平整而造成的交通事故很多，为了冇效的 减少行驶中的振动，技术人员研究出一种新的悬挂系统：主动悬挂系统，它能根 据路面的情况实吋调整减振弹簧与阻尼之间的优化

2、比，从而达到减振缓冲的口 的。该系统主要冇传感器件、控制器件和执行器件三部分组成，其中，传感器在 整个系统中起着至关重要的作用。正文一.工作原理及构造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i种振动频 率高于声波的机械波，出换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具冇频率 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 儿i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冋波，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。超声波应用冇三

3、种基本类型，透射型用于摇控器、防盗报警器、自动门、 接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位传感器；反射型用于材料探伤、 测厚传感器等。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及银铁铝合金（磁致伸缩） 两类。电致伸缩的材料有错钛酸铅（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。有的超芦波传感器 既作发送，也能作接收。超声波传感器的主要性能指标包扌乩（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吋，输出的能量最人，灵

4、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木身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之, 灵敏度低。超声波传感器系统构成由发送传感器（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 成超能量并向空屮幅射；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，将其变换成屯能量

5、，作为传感器接收器的输出，从而对 发送的超进行检测。而实际使用屮，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。超声波传感器电源（或称信号源）可用 dc12v + 10%或24v 土 10 %o若对发送传感器内谐振频率为40khz的压电陶 瓷片（双晶振了）施加40khz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极 性仲长与缩短，于是发送40khz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏 密程度可由控制电路调制），并传给波接收器。接收器是利用压力传感器所采用 的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力

6、，使压电元件发生应变，则产生一 面为“ + ”极，另一面为“一”极的40khz正弦电压。以下为超声波传感器的装置图：二、超声波传感器的几个应用1、在医学检测上的应用：b超一般的b超工作过程为：当探头获得激励脉冲后发射超声波，（同时探头受 聚焦延迟电路控制，实现声波的声学聚焦），然后经过一段吋间延迟后再由探头接 受反射回的回声信号，探头接收回來的回声信号经过滤波，对数放人等信号处理。 然后由dsc电路进行数字变换形成数字信号，在cpu控制下进一步进行图像处 理,，再同图表形成电路和测量电路一起合成视频信号送给显示器形成我们所熟 悉的b超图像。而这个过程的实现与超声波传感器是密不可分的。2、在质检

7、方而的应用：超声波测距传感器超声波距离传感器，采用超声波冋波测距原理，运用精确的时差测量技术， 检测传感器与口标物之间的距离，采用木厂开发的小角度，小盲区超声波传感器, 具有测量准确，无接触，防水，防腐蚀，低成本等优点，可应于液位，物位检测, 特有的液位，料位检测方式，可保证在液面有泡沫或大的晃动，不易检测到回波 的情况下冇稳定的输岀。cx2o1o6aoxr1r2 2(»ok? q q qr322k1into三、超声波传感器的发展现状及应用前景新技术的应用使得今天的超声波传感器能经受的住恶劣环境的考验:冇ip67 和ip69k防护等级的超声波传感器可以应用于潮湿的环境中，比如瓶子清洗

8、机 器。内建温度补偿电路，在正常或者变化的操作状态时，当有明显的温度变化时, 由温度补偿电路进行校对。teflon型号的超声波传感器的表面冇一种特殊涂层可 以用來抵御有害化学物质的侵蚀等等。超声波传感器的发展前景很可观，如声纳的发展趋势基本为：研制具冇更高 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；人力降低潜艇 自噪声，改善潜艇声纳的工作环境等等。结论 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。 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 人的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展。超声波传感器的发展前 景很可观，无庸置疑，未来的超肃波传感器将与门动化智能化接轨，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