目前，隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。下面我們就超聲波傳感器的設(shè)計(jì)原理、主要性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)及其工作原理以及實(shí)際應(yīng)用等4個(gè)方面來做說明介紹。

超聲波傳感器超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。

（一）設(shè)計(jì)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。超聲波是一種振動(dòng)頻 率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。

（二）超聲波傳感器的主要性能指標(biāo) 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：

（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。

（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

（三）結(jié)構(gòu)與工作原理

當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。

如超聲波傳感器，一個(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動(dòng)器是諧振器以及，由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器的一個(gè)結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動(dòng)器的中央部位。

室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內(nèi)側(cè)。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進(jìn)行覆蓋。對應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達(dá)到1mm，并且具有較強(qiáng)的超聲波輻射。

利用常規(guī)雙壓電晶片元件振動(dòng)器的彎曲振動(dòng)，在頻率高于70kHz的情況下，是不可能達(dá)到此目的的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直厚度振動(dòng)模式的壓電陶瓷。在這種情況下，壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。壓電陶瓷的聲阻抗為2.6×107kg/m2s，而空氣的聲阻抗為4.3×102kg/m2s。5個(gè)冪的差異會(huì)導(dǎo)致在壓電陶瓷振動(dòng)輻射表面上的大量損失。一種特殊材料粘附在壓電陶瓷上，作為聲匹配層，可實(shí)現(xiàn)與空氣的聲阻抗相匹配。這種結(jié)構(gòu)可以使超聲波傳感器在高達(dá)數(shù)百kHz頻率的情況下，仍然能夠正常工作。

（四）超聲波距離傳感器技術(shù)原理與應(yīng)用

超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便，防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。

1、超聲波測距儀：

超能聲波測距技術(shù)使超聲波測距技術(shù)有了重大的突破，它不僅拓寬了超聲波測距技術(shù)的應(yīng)用場合（適用極惡劣的工作環(huán)境），而且使用智能調(diào)節(jié)技術(shù)，大大提高了超聲波產(chǎn)品的可靠性及性能指標(biāo)，讓用戶無后顧憂 。

優(yōu)秀的回波處理技術(shù)，5－50KHZ的超強(qiáng)波頻率使物位計(jì)最大量程可達(dá)到120米，適用介質(zhì)溫度為–20℃— +175℃。智能的全自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)波頻率，自動(dòng)的溫差補(bǔ)償功能使其工作更加穩(wěn)定可靠。HpAWK系列產(chǎn)品還擁有靈活多變的工作方式（供電電源可為12VDC、24VDC、110VAC、220VAC;二/三/四線制同一儀表中可隨意組合。它還擁有先進(jìn)的遠(yuǎn)程GSM、CDMA、互聯(lián)網(wǎng)調(diào)試功能，使得用戶隨時(shí)可以得到技術(shù)支持。

通過以上對超聲波傳感器的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用的介紹，希望對大家工作學(xué)習(xí)有所幫助。