浅谈超声波传感器的原理及性能指标

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，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。 数年前，在传感器技术领域，超声波传感器一直是备用的选择。 新技术使得今天的超声波传感器非常坚固耐用并有着精确的感应能力，这些新增强的特性拓展了新的应用领域，完全超越了传统的超声波传感器的应用。 

超声波传感器的原理及性能指标

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。

超声波传感器利用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体，传感器就能接收到返回波。 

传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离，一个传感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定，无论物体在那一种界限里，传感器都可以检测到。 

有一些超声波传感器使用独立的发射器和接收器，当检测缓慢移动的物体， 或者需要快速响应或者在潮湿环境中应用时，这种对射式或者叫分离式的超声波传感器就非常适用。 在检测透明物体、液体，检测光滑、粗糙和有光泽的，半透明材料的物体表面，和检测不规则物体时，超声波传感器都是首选。 

超声波传感器不适用的情况有：户外，极热的环境，有压力的容器内，同样不能检测有泡沫的物体。

超声波传感器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，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。 

超声波传感器的典型性应用

不管你的任务是在物流行业，工程机械，食品和饮料，料位检测或自动门和工业门检测：超声波传感器都能为最多样化的应用需求提供解决方案。请看以下9种综合应用实例，向你展示了超声波传感器的多功能性。

超声波传感器用于砂砾储存仓的料位监测

散装的建筑材料是露天开采的，如沙子，碎石，砾石。这些材料在深度达50m处被挖掘，并且必须被妥善储存直到它们被运输离开现场。传送带运输这些建筑材料到储物仓。超声波传感器确定储物仓是否到达最大的料位值。

检测农业机械的喷杆高度

为确保一致性，最佳的喷洒覆盖凹凸不平的地形和不同农作物高度, 为了防止喷杆影响农作物或者土壤，其高度必须连续地被监测和调节。超声波传感器非常适用于这一应用，因为它不受灰尘，污物和化学品的影响，并且对于检测任何颜色的表面具有相同的精度。

高空作业平台的防撞检测

可驾驶的高空作业平台在许多建筑工地变得越来越普及。这些平台可以大大方便高空作业的实施，有效提高生产效率。然后，由于碰撞引起的严重高空作业平台事故几乎每天都在发生，因此安全问题不容忽视。超声波传感器可以有效地保障这类设备的安全运行。

用于喷雾喷嘴的超声波超感器

为了帮助树木保持在最佳状态，化学药品通过特殊的喷洒过程被应用到。这些药品对于农民来说是高成本的。

为了让收成卖出合理的价格，喷洒工作必须尽可能高效。使用超声波传感器通过检测检测树木间的间隙节省农药。一旦这些间隙被发现，喷涂过程会暂时停止。

使用超声波传感器实现对垃圾收集车的控制

对于可靠的操作，移动设备需要的传感器使它可以全天候应用在恶劣的条件下。对这些车辆来说，极端的温度，剧烈的颠簸和震动是常见的。用于这些车辆如垃圾收集卡车上的超声波传感器，必须非常的坚固可靠,可以保证安全操作。

叉车托盘检测

物流行业应用通常依赖于叉车可靠地运送重物到指定地点。倍加福超声波传感器在特定区域内监控叉车，确保其准确性和可靠性。依靠超声波传感器，您能决定托盘是否已上叉车以及在叉车托杆插入托盘底下多深。

印刷电路板输送线

从智能手机和家用电器到我们所驾驶的车，电子-因此印刷电路板（PCBs）-是今天几乎每个机器必不可少的特征。这些印刷电路板是任何设备的核心，必须被极其小心的处理。超声波传感器能帮助控制这些高度敏感的印刷电路板的生产过程。

饮料灌装机采用超声波传感器进行饮料瓶记数

在几个关键节点对瓶子进行检测与计数，确保了连续的物流监控。对每只瓶进入与离开灌装系统都进行优化，并可靠地检测缺失的瓶子。即使在强烈的蒸汽领域，也能精准的确保饮料瓶的检测。

超声波传感器用于闸机系统的车辆检测

在停车场和车库，入口使用闸机系统来控制。当有一个车辆在栏杆下面，栏杆不能降下。超声波传感器特别适合控制这一过程。他们检测目标物不会受车辆的型号或者颜色的影响，在栏杆的下方监测整个区域。

超声波传感器的创新型应用

根据当前市场发展趋势，超声波传感器在流量测量、废物管理、可预见性维护和自动驾驶探测等四大领域爆发出令人难以置信的创新潜力。

1、更智能的流量测量

超声波传感器技术的改进使它们更加精确和便宜，在减小尺寸的同时提高了可用性。凭借这些改进，它们将成为有效的流量测量技术，特别是对于公用事业公司。对水表、燃气表和热量表的益处显而易见。

例如，制造商可以用超声波传感器替换掉原来的机械式流量计。超声波传感器引人注目的优势在于它们精度高，且没有任何机械的活动部件。即便如此，制造商还必须了解管路设计和传感器的安装位置，才能充分享受技术带来的好处。

未来，超声波技术将在实现供能管网现代化方面发挥重要作用。随着超声波传感器的不断发展，它们将使管网更加稳健、高效和安全。就目前的趋势而言，可以确信这项技术将有助于“智能管网”的成熟发展。

2、改善废物管理

超声波传感器的众多应用之一是能够确定料仓中剩余物料的数量。这些传感器通过向容器内物质的表面水平发射声束，然后接收该声束的反射，以实现测量功能。即使有灰尘也不影响计算的准确性。

通过这种方式，超声波传感器可在废物管理中发挥积极作用。通过战略性地将传感器投放到垃圾桶中，市政公司可以改进垃圾废物的收集过程，减少低效率的操作。这些传感器还可以防止泄漏或其他意外和伤害事故发生。

按照当前超声波传感器技术的发展轨迹，它们可能在未来十年内会广泛用于废物管理。随着传感器价格不断下降，它们的普及程度将不断提高，这些传感器也使得市政服务部门的职能更简单和更有效率。

3、可靠的预测性维护

超声波传感器在状态监测和预测性维护方面具有一定的应用价值。它们可以最小化生产停机时间、提高故障排除能力、增强质量控制和安全性。美国能源部（DOE）甚至建议将超声波技术作为泄漏检测的首要解决方案之一。

第三方评估小组就超声波技术的价值潜力在某机构内的500多家网点进行了调研。他们发现在每家网点都有超过100种应用，包括锅炉、压缩机、热交换器、蒸汽疏水阀、阀门和其它部件等。经济效益非常可观。

通过安装超声波技术，该机构每年将节省大约370万美元。考虑到市场趋势，更多的制造商将采用超声波传感器进行预测性维护，在升级之前评估并解决较小的问题。

4、增强自动驾驶车辆的安全性

各种传感器被用于辅助自动驾驶车辆导航和基本操作。在这些传感器中，超声波技术已经与自动驾驶系统集成。超声波传感器在传统车辆中也有应用，用于帮助盲点监测和自动泊车。

特斯拉的自动驾驶车辆是超声波传感器应用的主要案例之一。它们的超声波传感器可以感知周围近8米的范围，以保障行驶途中乘客的安全。凭借这种程度的感知意识，特斯拉汽车可以有效地降低风险，避免事故发生。

随着自动驾驶车辆的逐年改进，超声波传感器也将随之发展。它们将有助于更容易地向自动驾驶汽车过渡，以及缓解对潜在探测问题的忧虑。随着超声波传感器效能的不断发挥，这项技术将证明在未来是不可或缺的。

目前，更多的新一代超声波传感器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，利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测，且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。  

审核编辑：黄飞