超声波传感器的发展与应用

传感器原理及工程应用课程报告学院物理电子工程学院专业应用物理年级2011级姓名*****论文题目超声波传感器的发展与应用2015年1月5日学号：20111超声波传感器的发展与应用摘要：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。关键词：超声波传感器应用发展1超声波传感器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。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。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[1]。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2既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，其结构如图1所示，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、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型），它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，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；反射型用于材料探伤、测厚等[7]。2超声波传感器的主要性能指标（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产生失效。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。（4）结构与工作原理。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位[2]。室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确3度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。3超声波传感器的优缺点广泛的说，现在的超声波传感器频率都相对固定，例如40KHz的传感器，只能用在38-42KHz上，其它频率的也类似，目前几乎见不到频域范围广的传感器，例如40KHz-500KHz这样的产品；驱动电压较高，一般100Vp-p到1500Vp-p之间，在很多低压设备上需要脉冲变压器升压，但也会随之带来一些复杂问题。如果有3-5V低压驱动（较大功率）的传感器就更好了；灵敏度，最好能再高一些。总的来说，这些问题主要是由于超声波传感器多采用压电陶瓷材料的原因，其它材料或结构的超声波传感器，目前在国内几乎见不到[6]。再说适用性方面，超声波用来检测，一般适合12m以内的测距（极限25米），或者测厚度、探伤、B超等，都是很适合的，精度也很高。但是超过12米，例如1公里测距超声波就很难做到了。而且使用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户使用无后顾之忧。优秀的回波处理技术，5－50KHZ的超高强发波频率使HAWK物位计最大量程可达到120米，适用介质温度为–20℃—+175℃。智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。HpAWK系列产品还拥有灵活多变的工作方式（供电电源可为12VDC、24VDC、110VAC、220VAC;二/三/四线制同一仪表中可随意组合。它还拥有先进的远程GSM、CDMA、互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持[3]。4超声波传感器的具体应用超声波在测量技术中的应用：测量技术其原理很简单，说得高档点的名称叫多普拉效应，山村孩童便叫―回音，就如在一山谷叫一声―你好吗，不一会听见好像有人学你的说话一样―你...好...吗...。人们正由此点，开发出超声波测量技术。像自然界中，以蝙蝠都可算为代表了，在蝙蝠洞里既要觅食，又要用声波测距，而要在洞内用超声波测距是一件很困难的事情，很先进的科技产品也做不到。在空中，当声音鼓动空气而向前传递讯息时，遇到大小不同、软硬不一的物体时，其会产生相应强弱的反射声音，而我们以咪高峰接收此反弹回来的声音，计算其反弹的时间差距，从而可了解前面物体与你的距离，由其反弹的强弱，得知物体的大小，此为超声波在空中测量的应用原理，一如在机场使用的雷达。在水中的情况便有分别，因为水的密度与空气的密度明显不同，同样强度的声音，水中传递和空中传递，完全是两码子的事，故此我们在水中使用超声波探4测，先决条件是功率要强大，才能有反弹回来的讯号。要在众多讯号中分辨出合适的数据是相当困难的。正因如此，在往后美国民间的不断开发，才渐渐开始有捕鱼船安装了专为搜鱼的超声波探鱼器[4]。而直至目前为止，海洋中使用的超声波探测技术，无论是理论或产品，都以美国为主，后起之日本及德国，亦是近年来才能加入。至于中国，在2001年的国际产品展览会中，才有这方面的产品，填补这方面的空白，这就是香港金时(科技)公司，不断努力研制并生产的便携式探鱼器。且与国外主要品牌并驾齐驱，成为真正的高新技术之便携式探鱼器。在医学检测上的应用：B超，中用于检测液位的超声波传感器，声波漫反射式接近传感器用于检测液位，声波反射式设计用于检测远处的目标，声波接近传感器可有模拟量输出,可适用于精确的连续控制。模拟量输出信号和被测物距离的线性斜率可调,满足各种控制要求。声波接近传感器可有两个开关点设置,并可通过按钮方便的设置。方形和原柱形设计满足不同的现场安装要求。超声波传感器在质检方面的应用：超声波探伤仪，超声波探伤仪主要应用于金属工件内部的质量检测，如检测金属是否有气泡，焊接部位是否有未焊透等缺陷等。现以超声波电子束焊缝检测系统为例来说明超声波探伤仪的应用5超声波传感器应用前景展望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。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。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[5]。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5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：[1]廖清胜．科学文化传播与先进文化建设[J]．探索，2004，(1)：17-18．[2]石利英，毕常青．传感技术[M]．高等教育出版社，1995：56-58．[3]黄贤武．传感技术[M]．科学出版社，1993：203-205．[4]侯国章．测试与传感技术[J]．科技新时代，2001,(3)：23-25．[5]赵建英．检测与传感技术[J]．自动化技术，2007，（3）：13-15．[6]DEMENACALVOJM.ActaOtorinolaryngolIberAm[J]．Electricaudiphonesfordeafmutes．1956，(3)：190-195.[7]JamesSamuelson．TheBritishMedicalJournal[J]．Rhodes'sAudiphone．1880，(992)：12-13．