超聲波傳感器是一種將超聲波信號轉換為其他能量信號的傳感器。它由四個部分組成:發射機、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、醫療、家用電器等領域。

一、超聲波傳感器結構

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

      超聲波傳感器主要由以下四部分組成:

1. 發射機

超聲波是通過振蕩器的振動產生的(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，會發生相應的機械振動，并將超聲波轉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射機的超聲波發射，并確定接收信號的大小以及接收器是否已經接收到信號(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，由內部穩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故障。醫用超聲探頭溫度較高，需要單獨的制冷設備。

3.靈敏度

這主要取決于芯片的制造。機電耦合系數越大，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、醫療和家用電器等領域。

      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化為機械振蕩產生超聲波的可逆傳感器。同時，在接收到超聲波時，還能將其轉化為電能。

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，應變發生，并產生一個正弦電壓，一側是“+”極，另一側是“-”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

      超聲波系統應用于生產實踐的各個方面，醫療應用是其主要應用之一。

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

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

      在工業上，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，許多技術的發展由于無法檢測對象的內部結構而受到阻礙。超聲傳感技術的出現改變了這種狀況。許多超聲波傳感器現在安裝在不同的設備上，“無聲地”探測人們需要的信號。

       在未來的應用中，結合信息技術和新材料技術，將出現更加智能、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。它們可以安裝在塑料熔體罐或塑料造粒室的頂部。當聲波被發送到容器時，我們可以用超聲波傳感器分析容器的狀態，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則物體。不適用于戶外、高溫環境、壓力罐和泡沫物體。

(3)超聲波傳感器可用于食品加工廠，實現塑料包裝檢測閉環控制系統。利用這項新技術，可以在洗瓶機等潮濕環境、噪音環境以及溫度變化較大的環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。它們還可以用于過程監控，以檢測缺陷和提高產品質量。

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。可能會出現以下幾種錯誤:

(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構時，這種現象更常見。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。

2. 噪音

       雖然大多數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。但是周圍環境中存在著頻率相近的噪聲，比如電機轉動產生的高頻噪聲或者車輪在堅硬地面上摩擦產生的高頻噪聲，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，我們可以對發射的超聲波進行編碼。例如，我們可以發送不同長度的聲波，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，就會產生交叉干擾。超聲波X發出的聲波經過鏡面反射后，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這個信號計算出距離，因此無法得到正確的測量結果。解決方案是對每個傳感器發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，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生變化。因此，傳感器不應使用在強制風機等設備旁邊。

(3)噴嘴噴射的空氣頻率多種多樣，會對傳感器產生影響，不宜在傳感器附近使用。

(4)傳感器表面有水滴會縮短檢測距離。

(5)聲音被吸收時，細小的粉末和棉花等材料檢測不到(反射傳感器)。

(6)請勿在真空或防爆區域使用傳感器。

(7)請勿在有蒸汽的區域使用傳感器。這些地區的大氣不均勻，會產生溫度梯度，導致測量誤差。

超聲波傳感器檢測

1. 檢測模式

      超聲波傳感器主要采用直接反射的檢測方式。傳感器前面的物體將所發射的聲波部分傳回接收器，從而被傳感器檢測到。

      還有一些超聲波傳感器使用雙射模式。雙射超聲傳感器由發射機和接收機組成，兩者連續保持聯系。彼此之間。接收器和發射器之間的物體會阻擋發射的聲波，傳感器會產生開關信號。

2. 探測范圍

      超聲波傳感器的探測范圍取決于波長和頻率。波長越長，頻率越小，探測距離越長。例如，毫米波長緊湊型傳感器的檢測范圍為300 ~ 500mm, 5mm波長傳感器的檢測超聲波范圍為8m。

      有些傳感器的聲波發射角度較窄，因此更適合于精確探測相對較小的物體。其他聲波發射角度為12 ~ 15的傳感器可以探測到傾角較大的物體。

3.檢測方法

      根據被測物體的體積、材質、是否可移動等特點，采用不同的檢測方法。常見的檢測方法有四種:

(1)穿透:超聲波發射器和接收器位于兩側，當物體經過它們之間時，可以根據檢測到的超聲波衰減(或遮擋)來檢測。

(2)有限距離型:發射機和接收機位于同一側。當物體在限定距離內經過時，會根據反射的超聲波進行檢測。

(3)限定距離型:發射機和接收機位于限定超聲波測距的中心，反射器位于限定距離的邊緣。以不遮擋物體的反射波衰減值作為參考值。

當物體在限定范圍內通過時，根據反射波的衰減進行檢測(將衰減值與參考值進行比較)。

(4)回歸反射型:發射機與接收機位于同一側，以探測物體(平面物體)為反射面。根據反射波的衰減來檢測物體。

超聲波傳感器與聲納傳感器

      聲納傳感器和超聲波傳感器是2種常見的探測設備，很多人認為兩者是一樣的，但事實并非如此。

      聲納傳感器直接探測和識別水中物體和水下波浪輪廓。它會發出聲波信號，當它遇到物體時會被反射。它的距離和位置可以根據反射時間和波型來計算。

      聲傳感主要用于探測生物，比如水里有什么，它有多大，等等。用來探測水怪的設備是聲納傳感器。

      超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，是由換能器芯片在電壓激勵下振動而產生的。它頻率高，波長短，衍射現象小，指向性好，可以變成射線進行定向傳播。

      超聲波可以穿透液體、固體，甚至可以穿透幾十米深的不透明固體。當波與雜質或界面接觸時，會有明顯的反射形成反射回波，接觸運動物體時會發生多普勒效應。因此，超聲檢測在工業、國防、生物醫學等領域有著廣泛的應用。

      超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制的一種傳感器。

      在工業上，超聲波的典型應用是金屬的無損檢測和超聲波測厚。超聲傳感器在醫學上的應用主要是診斷疾病，已成為臨床醫學中不可或缺的診斷方法