超聲波傳感器是一種將超聲波信號轉(zhuǎn)換為其他能量信號的傳感器。它由四個部分組成:發(fā)射機、接收機、控制部分和電源。對于不同材料制成的超聲波探頭，在使用前應了解其性能，包括工作原理、工作過程、靈敏度、指向性等。基于超聲波的特性，超聲波傳感器廣泛應用于通信、醫(yī)療、家用電器等領(lǐng)域。

一、超聲波傳感器結(jié)構(gòu)

超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換為其他能量信號(通常是電信號)的傳感器。廣泛應用于工業(yè)、國防、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。

超聲波傳感器主要由以下四部分組成:

1. 發(fā)射機

超聲波是通過振蕩器的振動產(chǎn)生的(一般是陶瓷制品，直徑約為15mm)，并輻射到空氣中。

2. 接收機

當超聲波振蕩器接收到超聲波時，會發(fā)生相應的機械振動，并將超聲波轉(zhuǎn)化為電能作為接收機的輸出。

3.控制部分

它使用集成的超聲波傳感器電路來控制發(fā)射機的超聲波發(fā)射，并確定接收信號的大小以及接收器是否已經(jīng)接收到信號(超聲波)。

4. 電力供應

超聲波傳感器通常由12V±10% or 24V±10%;10%的外部直流電源供電，由內(nèi)部穩(wěn)壓電路供電給傳感器。

二、績效指標

超聲波探頭的核心是塑料或金屬包裝中的壓電芯片。一個芯片可以由很多種材料制成，而芯片的尺寸，如直徑和厚度也不同，因此每種探頭的性能也不同。因此，在使用它之前一定要提前了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括:

1. 工作頻率

工作頻率為壓電芯片的諧振頻率。當交流電壓的超聲波傳感器頻率等于芯片的共振頻率時，能量輸出最大，靈敏度最高。

2. 工作溫度

一般情況下，由于壓電材料的居里點較高，特別是用于診斷的使用功率較低的超聲探頭。所以工作溫度相對較低，探頭可以長時間工作而不出現(xiàn)故障。醫(yī)用超聲探頭溫度較高，需要單獨的制冷設(shè)備。

3.靈敏度

這主要取決于芯片的制造。機電耦合系數(shù)越大，靈敏度越高，反之，靈敏度越低。

4. 方向性

超聲波傳感器的檢測范圍

三、超聲波傳感器的工作

1. 超聲波

什么是超聲波?

首先，要注意超聲波的頻率范圍。我們聽到的聲音是由物體的振動產(chǎn)生的，其頻率在20Hz-20KHz之間。頻率大于20KHz的聲音稱為超聲波或超聲波，頻率小于20Hz的聲音稱為次聲波。常用的超聲波頻率從幾十千赫到幾十兆赫。

超聲波是彈性介質(zhì)中的一種機械振蕩，有橫波和縱波兩種形式。它可以以不同的超聲波速度在氣體、液體和固體中傳播。此外，它還具有折射和反射現(xiàn)象，并在傳播過程中有衰減。

如果超聲波在空氣中傳播，其頻率較低，一般為幾十千赫，而在固體和液體中，頻率較高。而且，在空氣中衰減快，而在液體和固體中衰減小，傳播距離長。

基于超聲波的特性，可以用超聲波傳感器制成超聲波測量裝置，廣泛應用于通信、醫(yī)療和家用電器等領(lǐng)域。

超聲波傳感器的主要材料是壓電晶體(電致伸縮)和鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)。壓電式超聲波傳感器是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械振蕩產(chǎn)生超聲波的可逆?zhèn)鞲衅�。同時，在接收到超聲波時，還能將其轉(zhuǎn)化為電能。

2. 超聲波傳感器的工作原理

如果對變送器中的壓電陶瓷板(雙晶振蕩器)施加高頻電壓，壓電陶瓷板將根據(jù)電壓的極性被拉長或縮短。超聲波以密度的形式傳播到接收機(密度程度可由控制電路調(diào)制)。

超聲波接收器利用壓力傳感器所采用的壓電效應原理。在我們對壓電元件施加壓力后，應變發(fā)生，并產(chǎn)生一個正弦電壓，一側(cè)是“+”極，另一側(cè)是“-”極。由于高頻的振幅很小，必須將其放大。

四、超聲傳感器應用

1. 主要應用

超聲波系統(tǒng)應用于生產(chǎn)實踐的各個方面，醫(yī)療應用是其主要應用之一。

在醫(yī)學領(lǐng)域，超聲傳感器主要用于疾病診斷，已成為臨床醫(yī)學不可或缺的診斷方法。

超聲診斷的優(yōu)點是無疼痛、無損傷、方法簡單、成像清晰、診斷準確率高。因此易于推廣，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。

在工業(yè)上，超聲波傳感器的典型應用是金屬的無損檢測和超聲波測量。

在過去，許多技術(shù)的發(fā)展由于無法檢測對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而受到阻礙。超聲傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。許多超聲波傳感器現(xiàn)在安裝在不同的設(shè)備上，“無聲地”探測人們需要的信號。

在未來的應用中，結(jié)合信息技術(shù)和新材料技術(shù)，將出現(xiàn)更加智能、靈敏度更高的超聲傳感器。

2. 特定的應用程序

(1)超聲波傳感器可用于檢測集裝箱狀態(tài)。它們可以安裝在塑料熔體罐或塑料造粒室的頂部。當聲波被發(fā)送到容器時，我們可以用超聲波傳感器分析容器的狀態(tài)，如滿、空或半滿。

(2)超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、表面粗糙、光滑或輕的致密材料和不規(guī)則物體。不適用于戶外、高溫環(huán)境、壓力罐和泡沫物體。

(3)超聲波傳感器可用于食品加工廠，實現(xiàn)塑料包裝檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用這項新技術(shù)，可以在洗瓶機等潮濕環(huán)境、噪音環(huán)境以及溫度變化較大的環(huán)境中進行超聲波檢測。

(4)超聲波傳感器可以像距離傳感器一樣用于液位檢測、張力控制和超聲波測距，主要用于包裝、制瓶、物料輸送、煤炭檢驗、塑料加工和汽車工業(yè)。它們還可以用于過程監(jiān)控，以檢測缺陷和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

五、運行中存在的問題及注意事項

超聲波傳感器的應用簡單方便，傳感器的成本也很低。然而，超聲波傳感器在工作過程中會出現(xiàn)一些問題，如反射問題、噪聲和交叉干擾。

1. 反映的問題

如果物體始終處于正確的角度，超聲波傳感器將獲得正確的角度。不幸的是，在實踐中，能夠正確檢測到的對象非常少�？赡軙霈F(xiàn)以下幾種錯誤:

(1)三角誤差

當物體與傳感器呈一定角度時，檢測到的距離與實際距離之間存在三角形誤差。

(2)鏡面反射

在一定的角度，發(fā)出的聲波會被光滑的物體反射出去，所以沒有回聲，也無法讀取距離。在這種情況下，超聲波傳感器將“對象。

(3)多重反射

當我們檢測到拐角或類似結(jié)構(gòu)時，這種現(xiàn)象更常見。聲波在被傳感器接收到之前要來回反彈幾次，所以實際檢測到的值并不是真實的距離值。這一問題可以通過以一定角度排列多個超聲波環(huán)來解決。通過檢測多個超聲波的返回值，我們可以篩選出正確的讀數(shù)。

2. 噪音

雖然大多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率在40Khz到45Khz之間，這遠遠高于人類能聽到的頻率。但是周圍環(huán)境中存在著頻率相近的噪聲，比如電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的高頻噪聲或者車輪在堅硬地面上摩擦產(chǎn)生的高頻噪聲，以及機器人自身的震動甚至其他機器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，都會導致傳感器接收到錯誤的信號。

為了解決這個問題，我們可以對發(fā)射的超聲波進行編碼。例如，我們可以發(fā)送不同長度的聲波，只有當探頭探測到相同的聲波組合時，才能計算出距離。這樣可以有效避免環(huán)境噪聲造成的誤讀。

3.交叉干擾

當多個超聲傳感器以一定角度安裝在機器人上時，就會產(chǎn)生交叉干擾。超聲波X發(fā)出的聲波經(jīng)過鏡面反射后，被傳感器Z和傳感器y接收到。2個超聲波距離傳感器會根據(jù)這個信號計算出距離，因此無法得到正確的測量結(jié)果。解決方案是對每個傳感器發(fā)出的超聲波信號進行編碼，讓每個超聲波傳感器“聽到”;只有它自己的聲音。

預防措施

(1)為保證可靠性和長壽命，請勿在室外或額定溫度以上使用超聲波傳感器。

(2)由于超聲波傳感器以空氣為傳輸介質(zhì)，當局部溫度不同時，邊界處的反射和折射可能導致故障。風吹時，超聲波探測距離也會發(fā)生變化。因此，傳感器不應使用在強制風機等設(shè)備旁邊。