超声波传感器的原理及优缺点
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[摘要]
超声波是频率超过人耳听觉频率极限机械波的总称，它可以在气体、液体、固体中传播。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波传感器可以在距离检测、流量测量、金属探伤等方面被应用。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
[关键字]：超声波传感器 工作原理 流量测量 探伤 距离检测
1. 引言
传感器(Transducer)，顾名思义，便是能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装臵，通常被测量是非电物理量，输出信号一般为电量。它能够充当人类感觉器官的延生，在各个方面扩展人类获得自然和生产领域中的信息。
20世纪中叶人们发现某些介质的晶体（如石英晶体、酒石酸钾晶体等）在高电压窄脉冲作用下，能够产生较大功率的超声波。据此人们制成了超声波传感器。超声波传感器能够发出、接受并分析出我们人耳无法察觉到的声音。在检测方面利用超声波传感器能够做到超声波测距、超声波探伤等功能，可以用在探测海底沉船、敌方潜艇和显示金属内伤等方面。这些都能够应用于工业、农业、轻工业以及医疗等各技术领域，与我们的生活息息相关。
2. 超声波的概念与特性
人耳能够听到的声音是由于物体震动产生的，它的频率在20Hz——20KHz范围内，成为可闻声波。低于20Hz的机械振动在人耳不可闻，称为次声波；高于20KHz的机械振动成为超声波，常用的超声波频率在几十KHz至几十几十MHz之间。
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）和纵向振荡（纵波）。工业应用中主要采用纵向振荡。超声波除了在不同介质中传播速度不一样这一点和可闻声波一样外，在其反射、折射、衍射等传播规律上也和可闻声波一致。不过它也有很多奇异的特性：1.由于其频率高所以具有的功率更大，相对于可闻声波它的功率非常大。所以超声波在传播时方向性强，能够易于集中，穿透本领大。2.频率越高其声场指向性越好，与光波的反射、折射特性就越接近。
3. 超声波传感器的原理
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。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
小功率超声波探头多为探测作用，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)。
超声波探头的核心是其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，如直径和厚度也各有不同，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。
超声波传感器的主要性能指标如下：
(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，特别是探测用超声波探头使用超声波传感器功率较小，所以工作温度比较低，可以长时问工作而不失效。
(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。
4. 超声波传感器的应用
4.1
超声波位臵传感器
超声波位臵传感器采用超声波回波测位原理，运用时差测量技术，检测传感器与目标之间的距离，采用小角度、小盲区超声波传感器，具有测量准确、无接触、防水、防腐蚀、成本低等优点，主要应用于液位、物位、料位检测等
超声波位臵传感器的基本原理是：系统由发射传感器发出超声波脉冲，传到被测物体经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收所需的时间，
再根据介质中的声速，就能得到从传感器到被测物体之间的距离，从而确定位臵。考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，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
S?VtV(t0?t1)?ZZ式中：s为被测距离；为发射超声波脉冲与接收其回波的时间差；为超声回波接收时刻；幻为超声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t时刻和to时刻，根据公式，计算可得到被测距离S。
4.2 超声波流量传感器
超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。
超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、高粘度的流体，还是浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。
多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。
4.3 超声波传感器探伤
对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。
(1)穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个超声波传感器探头，臵于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲波。在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。
(2)反射法探伤 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。下面以纵波一次脉冲反射为例，说明检测原理。
B T 高频 高频 F 接收 发射探头 发生器 发生器 放大
T 探头
工件 工件 缺陷F 接收探头 放大器 显示 B
图5.穿透法探伤示意图 图6.反射法探伤示意图
高频脉冲发生器产生的脉冲(发射波)加在超声波传感器探头上，激励压电晶体振荡，使之产生超声波。超声波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波遇到缺陷F时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面B，也反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。发射波f、缺陷波F及底波经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线为扫描线(时间基准)，其长度与时间成正比。由发射波、缺陷波及底波在扫描线的位臵，可求出缺陷的位臵。由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没有F波。
超声波探伤的优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。然而，超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主、客观因素的影响，以及探伤结果不便保存等，使超声波探伤也有其局限性。
5. 超声波传感器的优缺点
5.1
适用频率范围小
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。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。
5.2 驱动电压高
超声波传感器驱动电压一般在100Vp-p到1500Vp-p之间，在很多低压设备上需要脉冲变压器升压，这样会带来一些不必要的麻烦。减小超声波传感器的适用范围。
5.3 灵敏度太小
主要由于超声波传感器多采用压电陶瓷材料的原因，其材料的限制导致了灵敏度无法达到其他传感器的精确灵敏度。
5.4 适用距离范围小
由于超声波频率高所以在介质中传播时衰减快，所以超声波传感器的传播距离较短，无法达到
参考文献
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