超声波传感器的原理及性能指标

超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号(通常是电信号)的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。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。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。常用的超声波传感器由压电晶片组成，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(一个探头发射、一个探头接收)等。

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。

超声波传感器主要利用超声波的反射特性来实现对物体的检测与测量。其工作流程可以分为以下四个阶段：

发射阶段：传感器内部的换能器(通常是压电晶片)在电信号的激励下产生机械振动，从而发射出超声波。

传播阶段：发射出的超声波在介质(如空气、液体等)中以一定的速度直线传播。当遇到障碍物时，超声波会发生反射。

接收阶段：传感器接收到反射回来的超声波信号。通过计算超声波从发射到接收的时间差，结合已知的声速，可以精确地确定传感器与目标物体之间的距离。

处理阶段：对接收到的信号进行处理和分析，得出所需的信息。

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‌的工作原理基于声波的发射、传播、反射和接收。其核心部件是换能器，通常由压电陶瓷或磁致伸缩材料制成。当电流通过这些材料时，它们会产生机械振动，从而发射出高频超声波脉冲。这些脉冲在介质中(如空气或液体)以恒定速度传播，遇到障碍物时会发生反射，返回传感器的接收器部分。‌

工作流程

‌发射阶段‌：传感器内部的换能器在电信号的激励下产生机械振动，发射出超声波。

‌传播阶段‌：发射出的超声波在介质中以特定速度传播，遇到障碍物时发生反射。

‌接收阶段‌：传感器接收到反射回来的超声波信号。

‌处理阶段‌：通过计算发射和接收信号的时间差，结合已知的声速，可以计算出传感器与目标物体之间的距离。

应用领域

超声波传感器由于其非接触式、高精度、快速响应和强抗干扰能力等特点，被广泛应用于多个领域：

‌工业领域‌：用于无损检测、液位监测以及自动化控制等。

‌医疗领域‌：辅助进行超声诊断和治疗。

‌安防领域‌：实现入侵检测、车辆防撞等功能。

‌环境监测‌：用于水质监测、空气质量监测等。

‌机器人导航‌：帮助机器人实现避障和导航。