超声波传感器的工作原理及其应用案例的分析

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。

一、超声波传感器的工作原理：

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波传感器是用来测量物体的距离。首先，超声波传感器会发射一组高频声波，般为４０－４５ＫＨｚ，当声波遇到物体后，就会被反弹回，并被接受到。通过计算声波从发射到返回的时间，再乘以声波在媒介中的传播速度（３４４米／秒，空气中）。就可以获得物体相对于传感器的距离值了。

二、超声波传感器的测距原理：

超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t（秒），就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2）

三、超声波传感器的分类：

超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩磁式、电磁式等，其中以压电式为最常见。

四、超声波传感器的组成：

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，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。

五、超声波传感器的主要性能和特性：

（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

超声波传感器就好比一个喇叭，能将电流信号转换成高频声波，或者将声波转换成电信号。（其实多数喇叭都可以当作话筒用，不信大家可以去试一下，用喇叭代替麦克风，也是可以的，只不过麦克风将声波转化成电信号的能力比较强一点。所以，更加灵敏一点。）

六、超声波传感器的应用案例：

1、超声波传感器焊接的应用，压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下,可得到较大功率的超声波,可以被聚焦,能用于集成电路及塑料的焊接。

2、超声波传感器多普勒效应应用，交警用超声波多普勒车速测量仪可以根据超声波的多普勒效应,测量出汽车的行驶速度。

3、超声波传感器倒车雷的应用，倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”,也叫“泊车辅助装置”,是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置,由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器(或蜂鸣器)等部分组成。能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况,解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提髙驾驶的安全性。

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