超聲波傳感器的原理及應(yīng)用

　　摘 要： 本文簡(jiǎn)要介紹了超聲波的概念、特點(diǎn)，闡述了超聲波傳感器的原理，并分析了超聲波傳感器在醫(yī)療、工業(yè)、液位測(cè)量、報(bào)警等方面的應(yīng)用。超聲波所具有的獨(dú)特的性質(zhì)，使得超聲波傳感器在生產(chǎn)生活中體現(xiàn)出了越來(lái)越大的重要性，具有一定的研究?jī)r(jià)值。
　　關(guān)鍵詞： 超聲波傳感器 原理 應(yīng)用
　　
　　1.引言
　　隨著自動(dòng)化等新技術(shù)的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來(lái)越大，一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備都離不開(kāi)傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，用各種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，如溫度、壓力、流量，等等，以便使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。
　　20世紀(jì)中葉，人們發(fā)現(xiàn)某些介質(zhì)的晶體（如石英晶體、酒石酸鉀鈉晶體、PZT晶體等）在高電壓窄脈沖作用下，能產(chǎn)生較大功率的超聲波。它與可聞聲波不同，可以被聚焦，能用于集成電路的焊接、顯像管內(nèi)部的清洗；在檢測(cè)方面，利用超聲波有類(lèi)似于光波的折射、反射的特性，制作超聲波納探測(cè)器，可以用于探測(cè)海底沉船、敵方潛艇，等等。
　　現(xiàn)在超聲波已經(jīng)滲透到我們生活中的許多領(lǐng)域，例如B超、遙控、防盜、無(wú)損探傷，等等。
　　2.超聲波的概念
　　人們能聽(tīng)到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz—20kHz范圍內(nèi)，稱(chēng)為可聞聲波。低于20Hz的機(jī)械振動(dòng)人耳不可聞，稱(chēng)為次聲波；高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)稱(chēng)為超聲波，常用的超聲波頻率為幾十kHz至幾十MHz。
　　超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）和縱向振蕩（縱波）。工業(yè)中的應(yīng)用常采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，但傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過(guò)程中有衰減。在空氣中傳播超聲波頻率較低，一般為幾十kHz，但衰減較快；在固體、液體中傳播頻率較高，但衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。
　　3.超聲波的特點(diǎn)
　　超聲波的指向性好，不易發(fā)散，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，在穿透幾米厚的鋼板后，能量損失不大。超聲波在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類(lèi)似于光波。超聲波的頻率越高，其聲場(chǎng)指向性就越好，與光波的反射、折射特性就越接近。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲波測(cè)量?jī)x器及裝置，并在通信、醫(yī)療、家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。
　　4.超聲波傳感器的原理
　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，由發(fā)送傳感器、接收傳感器、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器的作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可用作接收器傳感器上的陶瓷振子。控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比、稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。超聲波傳感器電源可用DC12V±10%或24V±10%。
　　5.超聲波探頭
　　超聲波換能器又稱(chēng)超聲波探頭。超聲波換能器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。由于其結(jié)構(gòu)不同，換能器又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭，等等。本文以固體傳導(dǎo)介質(zhì)為例，簡(jiǎn)要介紹以下三種探頭。
　　（1）單晶直探頭。俗稱(chēng)直探頭，其壓電晶片采用PZT壓電陶瓷制作。發(fā)射超聲波時(shí)，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出一束頻率落在超聲波范圍內(nèi)、持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波，垂直投射到試件內(nèi)。假設(shè)該試件為鋼板，而其底面與空氣交界，到達(dá)鋼板底部的超聲波絕大部分能量被底部界面所反射。反射波經(jīng)過(guò)一短暫的傳播時(shí)間回到壓電晶片。再利用壓電效應(yīng)，晶片將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。
　　（2）雙晶直探頭。由兩個(gè)單晶探頭組合而成，裝配在同一個(gè)殼體內(nèi)，其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜一些，但檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)單。
　　（3）斜探頭。有時(shí)為使超聲波能傾斜入射到被測(cè)介質(zhì)中，可選用斜探頭。壓電晶片粘貼在與底面成一定角度的有機(jī)玻璃斜楔塊上。當(dāng)斜楔塊與不同材料被測(cè)介質(zhì)接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過(guò)計(jì)算求得。
　　6.超聲波傳感器的應(yīng)用
　　超聲波傳感器應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害，方法簡(jiǎn)便，顯像清晰，診斷的準(zhǔn)確率高，等等，因而受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷是利用超聲波的反射原理，當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí)，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來(lái)，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲振幅的高低。
　　在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷、超聲波測(cè)厚和測(cè)量液位等。過(guò)去，許多技術(shù)因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感器的出現(xiàn)改變了這種狀況。超聲波探測(cè)既可檢測(cè)材料表面的缺陷，又可檢測(cè)材料內(nèi)部幾米深的缺陷。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無(wú)聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。
　　超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有許多其他方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測(cè)液體，屬于非接觸式測(cè)量，不怕電磁干擾、酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)；（2）響應(yīng)時(shí)間短，可以方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。
　　7.結(jié)語(yǔ)
　　超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如反射問(wèn)題、噪音問(wèn)題、交叉問(wèn)題，等等。本文簡(jiǎn)要介紹了超聲波的概念、特點(diǎn)，分析了超聲波傳感器的原理，并給出了超聲波傳感器的幾種典型應(yīng)用，對(duì)今后對(duì)超聲波傳感器的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究有一定的參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］梁森，黃杭美.自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
　　［2］吳旗.傳感器及應(yīng)用.高等教育出版社，2002，（3）.
　　［3］俞志根，李天真，童炳金.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)訓(xùn)教程.清華大學(xué)出版社.
　　［4］童敏明，唐守鋒.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù).中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社.
　　［5］韓啟國(guó).石英晶體壓力傳感器及其在動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用.傳感器應(yīng)用技術(shù)，1986.