超声波传感器简介

基本介绍

　　人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。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是声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 　　 

   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。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。 

组成部分

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。 

性能指标

 超声波传感器

   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，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： 

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。 

工作温度

超声波传感器

   由于压电材料的居里点一般比较高，特别是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。 

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。 

超声波距离传感器技术应用 　　

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。 　　

超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。 

工作原理 

超声波传感器

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。 　　

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。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，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。 　　

系统构成

超声波传感器

    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中幅射；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，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测 . 而实际使用中，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 ± 10 % 。 

工作模式

超声波传感器

    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。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。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。 

技术应用

超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。 　　

在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地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。 

下面主要介绍一下超声波传感器测液位

首先有几个方案

方案一：压力传感器测液位

系统框图

    目前的液位压力传感器大部分是投入式静压液位变送器，而投入式静压液位传感器只有参考大气压才能进行准确测量，然而连接电缆中的通气会受到环境的影响，造成气管内壁冷凝，结露。露水滴到电子器件和传感器上，会影响精度或者输出漂移。同时，结露过快，变送器的使用寿命也会大大缩短。此压力传感器容易受到环境的影响而造成测量不准确，并且安装不方便。

方案二：压阻式压力传感器测液位

　　压阻式传感器是用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制作扩散压敏电阻；硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化；此变阻器容易受外部环境的影响，如温度，从而造成测量不准确，而且体积一般比较大，不易安装、不易携带；一般其精确度也比较低。不能满足设计的需要，所以不选择。

 方案三：超声波传感器测液位

    超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。

系统采用的超声波传感器的工作频率为40kHz左右。由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。

自己观点和改进的地方：

1、超声波测量优点：

（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量， 不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；

（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

2、超声波测量缺点： 

　　反射问题

   如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。 　　

其中可能会出现几种误差： 　　

三角误差：当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差。 　　

镜面反射：这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。

多次反射：这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。 　　

解决方法：这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。 

噪音问题

虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。 　　

解决方法：这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。 

另外对于超声波测液位的改进：

1、考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，声速c与温度有关，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。计算公式为： 　　

     V＝331.5＋0.607T 　　

     式中：V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。 　　

     S＝V ×t/2＝V×（t1－t0）/2 　　

     式中：S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1               为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。

方法：利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。由于本系统的MCU选用了具有SOC特点的混合信号处理器，其内部集成了温度传感器，因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。

    方法：在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度被偿。这里可以用DS18B20测量环境温度，根据不同的环境温度确定一声速提高测距的稳定性。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。

不同温度下的超声波声速表

温度

   3、传感器表面的水滴缩短了检测距离，因此在测距时要注意使探头和液位之间要有透明物体隔开，比如说用玻璃。

   4、在有蒸汽的区域使用传感器时因为大气不均匀，将会产生温度梯度，从而导致测量错误。 

参考文献

【1】金篆芷,王明时.现代传感器技术【M】.北京:电子工业出版社,1995.331-335.

【2】袁希光.传感器技术手册【M】.北京:国防工业出版社,1986.699-702.

【3】超声波探伤编写组编著【M】．北京：电力工业出版社，1980．

【4】王纯正．超声学【M】．北京：人民卫生出版社，1993．

【5】中国无损检测学会编译．超声波探伤【M】．北京：机械工业出版社,1985

【6】同济大学声学研究室．超声工业测量技术【M】.上海：上海人民出版社， 1977．