超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波傳感器具有成本低、安裝維護(hù)方便、體積小、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，同時(shí)不易受電磁、煙霧、光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響，能實(shí)現(xiàn)在黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾和有毒等環(huán)境下工作。因此在 工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合超聲波傳感器的工作原理， 對(duì)超聲波在測(cè)距、自動(dòng)焊縫跟蹤、零件無(wú)損探傷、流量測(cè)量、液體 濃度檢測(cè)的應(yīng)用現(xiàn)狀作了綜述。

１ 超聲波傳感器的工作原理

       超聲波定位技術(shù)是蝙蝠等一些無(wú)目視能力的生物作為防御 天敵及捕獲獵物的生存手段，這些生物體可發(fā)射人們聽不到的 超聲波（20ｋHz以上的機(jī)械波），借助空氣介質(zhì)傳播，根據(jù)獵物或 障礙物反射回波的時(shí)間間隔及強(qiáng)弱，判斷獵物的性質(zhì)或障礙物 的位置［１］。人們根據(jù)仿生學(xué)原理，開發(fā)出了超聲波測(cè)距和無(wú)損探 傷等一系列實(shí)用的超聲波傳感器。

       超聲波傳感器是一種可逆換能器，利用晶體的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參量的測(cè)量。超聲波發(fā)生器可分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲 波；一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣類包括壓電型、磁致伸 縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械類包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它 們所產(chǎn)生的超聲波頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也有所不同。目前常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，它是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的，該傳感器有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)其兩極外加脈沖信號(hào)，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)， 壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。反之， 如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將迫使壓電晶片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收 器。根據(jù)回波與發(fā)射波之間的時(shí)間差或是回波的強(qiáng)弱，超聲波傳 感器即可得到被測(cè)物距離或?qū)傩浴?/span>

２ 超聲波傳感器的應(yīng)用 

２．１超聲波測(cè)距

超聲波測(cè)距的基本原理是超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出聲波，聲波遇到被測(cè)物體返回至超聲波接收傳感器，根據(jù)聲波的傳輸時(shí)間ｔ，即可計(jì)算出被測(cè)距離：

式（１）中ｃ為聲波在介質(zhì)中的傳播速度（ｍ／ｓ）。

      超聲波測(cè)距原理簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理速度快、安裝維護(hù)方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在液位測(cè)量、機(jī)器人避障及精確測(cè)距定位等得到廣 泛的應(yīng)用。李敏哲等［２］設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳輸?shù)姆植际匠�聲波液位測(cè)量系統(tǒng)，能同時(shí)對(duì)多個(gè)儲(chǔ)液罐液位進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)中采用了測(cè)溫電路對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度。劉玉芹等［３］采用兩個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)機(jī)器人行走過(guò)程中周圍障礙物信息，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人避障功能，但是只能獲取目標(biāo)的距離信息，而不能準(zhǔn)確得到目標(biāo)的邊界信息。在室內(nèi)多個(gè)已知位置安裝超聲波發(fā)射器，把接收器安裝在移動(dòng)機(jī)器人上，并結(jié) 合一個(gè)擴(kuò)展的卡曼濾波器，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人精確定位。為了克服超聲波傳感器的檢測(cè)盲區(qū)，研制了基于超聲波傳感器與紅外傳感器的感測(cè)系統(tǒng)，采用紅外傳感器補(bǔ)償了超聲波傳感器的檢測(cè)盲區(qū)，提高了 感測(cè)范圍，在移動(dòng)機(jī)器人避障及導(dǎo)航中得到了良好的應(yīng)用。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為主控芯片，ＣＰＬＤ負(fù)責(zé)超聲波的產(chǎn)生、 發(fā)送和接收以及對(duì)超聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，并采用數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)某�聲波測(cè)距系統(tǒng)，減小了超聲波計(jì)時(shí)誤差和聲速誤差，實(shí)現(xiàn)了高精度的距離測(cè)量。

２.２超聲波自動(dòng)焊縫跟蹤

      由于超聲波傳感器具有不受弧光和強(qiáng)電磁干擾、對(duì)檢測(cè)物 體表面起伏變化敏感、性價(jià)比高、可穿透煙塵等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在 焊縫跟蹤中得到了一定的應(yīng)用。我們?cè)O(shè)計(jì)一種基于超聲 波傳感器的波紋板折線焊縫跟蹤系統(tǒng)，用超聲波傳感器跟蹤波 紋板的一個(gè)波紋周期，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換和巴特 沃茲濾波后，求出波紋板槽面與斜邊交接處的折彎位置，實(shí)現(xiàn)了 波紋板折線焊縫自動(dòng)跟蹤。采用最小二乘法擬合對(duì)超聲波傳感器進(jìn)行標(biāo)定，在直角焊縫自動(dòng)焊接跟蹤中得到較好 的效果。張晨曙等［９－１０］對(duì)超聲波在焊縫跟蹤進(jìn)行了綜述，提出了 在焊接環(huán)境中提高超聲波檢測(cè)精度的措施，如信息融合技術(shù)和 信息處理技術(shù)。

２.３超聲波流量測(cè)量

超聲波流量檢測(cè)的基本原理，是基于超聲波在流體中傳播 的速度等于流體的流速與超聲波速度的矢量和。其具體實(shí)現(xiàn)方 法有傳播速度差法（包括差頻法、時(shí)差法和相位差）、波束偏移 法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法以及噪聲法等［１１］。我們研制了基于超聲波時(shí)差法的流量計(jì)，采用高精度的 ＴＤＣ－ＧＰ２ 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，流量測(cè)量精度達(dá)到 ５％。我們?cè)O(shè)計(jì)了一 種基于互相關(guān)理論的超聲波氣體流量測(cè)量系統(tǒng)，采用ＤＳＰ為控制器，通過(guò)采集上、下游流動(dòng)信號(hào)做互相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出互相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間，間接測(cè)量出流量 ， 在流速大于0.16ｍ／ｓ時(shí)測(cè)量誤差小于3％。

２.４超聲波液體濃度檢測(cè)

超聲波液體濃度檢測(cè)原理是基于超聲波在液體中傳播速度 與液體濃度和溫度之間存在著函數(shù)關(guān)系。根據(jù)聲學(xué)原理，液體中 超聲波傳播的速度是液體彈性模量和密度的函數(shù)，超聲波的速 度隨液體彈性模量或密度而變，同時(shí)也是溶液質(zhì)量濃度和溫度 的函數(shù)。因此只要在不同溫度下測(cè)得超聲波的傳導(dǎo)速度，即可求 出液體的質(zhì)量濃度。黃佳等［１４－１５］設(shè)計(jì)了一種基于超聲波傳感器 的酵母濃度檢測(cè)系統(tǒng)，研究了碑酒生產(chǎn)中酵母細(xì)胞濃度與超聲 波傳播時(shí)間以及溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)測(cè)量中產(chǎn)生影響的 各個(gè)因素分別加以討論并提出解決方案，實(shí)現(xiàn)了啤酒生產(chǎn)中酵 母濃度的在線測(cè)量。

２.５超聲波零件無(wú)損探傷

超聲波探傷既可以檢測(cè)材料表面的缺陷，又可以檢測(cè)內(nèi)部 幾米深的缺陷，比Ｘ射線探傷靈敏度高、周期短，對(duì)人體無(wú)害等 優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是要求工件表面平滑，有經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員才能判別 出缺陷的類型，對(duì)缺陷沒有直觀性。因此超聲波探傷適合于厚度 較大的零件檢測(cè)。李凱峻［１６］提出了一種對(duì)高壓無(wú)縫鋼管超聲波 無(wú)損檢測(cè)方法，可以對(duì)直管進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)和點(diǎn)動(dòng)探傷檢測(cè)，并存 儲(chǔ)了各種鋼管探傷工藝和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫鋼管的自動(dòng)超聲波 無(wú)損探傷。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種超聲蘭姆波無(wú)損探傷檢測(cè)系 統(tǒng)，對(duì)金屬薄板無(wú)損探傷獲得了較高的靈敏度。我們對(duì)無(wú) 損探傷中的快速計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了研究，為無(wú)損探傷技術(shù)的可靠 性、可靠性評(píng)價(jià)方法及影響因素提供了參考。

３ 超聲波傳感器的缺點(diǎn)及解決方法

１）測(cè)量盲區(qū)。超聲波的測(cè)量盲區(qū)由兩個(gè)因素造成：第一是超 聲波傳感器發(fā)射信號(hào)過(guò)后，換能器存在余振，如果發(fā)射信號(hào)后立 即打開接收電路，余振信號(hào)會(huì)引起誤判斷。一般在啟動(dòng)發(fā)射信號(hào) 后，要延遲一段時(shí)間再打開接收電路，這段時(shí)間無(wú)法檢測(cè)超聲波 的傳播距離，因此會(huì)存在測(cè)量的盲區(qū)。超聲波的余振信號(hào)強(qiáng)弱跟 換能器的性能、發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)。通過(guò)提高換能器的性能和 減小發(fā)射信號(hào)的功率可降低余振，減少盲區(qū)。第二是一體化探頭 的超聲波傳感器需要控制器通過(guò)切換電路控制發(fā)射和接收，切 換的時(shí)間間隔也會(huì)產(chǎn)生盲區(qū)。可以采用更高主頻的控制器和更 快的切換電路來(lái)減少此類盲區(qū)。

除了提高控制器和傳感器的本身性能外，班寧利用紅外傳感器無(wú)盲區(qū)、測(cè)量精度高、方向性強(qiáng)，但受環(huán)境影響較大、 探測(cè)距離較近的特點(diǎn)，將超聲波傳感器與紅外線傳感器組合使 用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，來(lái)克服超聲波傳感器測(cè)量盲區(qū)的問題。

２）超聲波傳播速度受環(huán)境變化影響。超聲波在介質(zhì)中傳播的速度受到環(huán)境變化的影響（如溫度、壓力、濕度等），其中溫度 的影響最為明顯，一般溫度每升高 １℃，聲速增加約為 ０．６ｍ／ｓ， 式（２）、式（３）分別是在空氣和海水中時(shí)，超聲波傳播的速度與環(huán) 境參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系［１９］。

式中，Ｔ為環(huán)境溫度（單位為攝氏度℃），Ｓ為水鹽度（按千分比計(jì)算），Ｐ為海水靜壓力牗單位為Ｐａ牘。

為了提高超聲波的測(cè)量精度，必須對(duì)聲速進(jìn)行校正。聲速校 正的主要方法有：溫度補(bǔ)償法和設(shè)置校正具法。溫度補(bǔ)償法采用 溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度，再計(jì)算出對(duì)應(yīng)的聲速。設(shè)置校正具法是在測(cè)距過(guò)程中采用雙通道測(cè)量：一個(gè)通道通過(guò)對(duì)已知距離的 預(yù)設(shè)參照物的測(cè)量，確定當(dāng)前環(huán)境下的聲波速度；另一通道則以 測(cè)得的聲速為準(zhǔn)，按正常方式測(cè)距，避免了環(huán)境變化對(duì)聲速的影響［２０］。莫德舉等［２１］采用設(shè)置校正具法對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)液體液 位進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了比溫度補(bǔ)償法更高精度的測(cè)量。

３）障礙物體積不能太小。根據(jù)超聲波傳播理論，當(dāng)障礙物的 尺寸小于超聲波長(zhǎng)的 １／２時(shí)，超聲波將發(fā)生繞射；當(dāng)障礙物尺寸 大于波長(zhǎng)的１／２時(shí)，才能反射。如采用的超聲波傳感器發(fā)射頻率為 ４０ｋＨｚ，相應(yīng)半波長(zhǎng)為 0.025ｍｍ，因此在理論上最小可以測(cè) 得邊長(zhǎng)為0.025ｍｍ的障礙物。可提高超聲波的發(fā)射頻率來(lái)實(shí)現(xiàn) 更小體積障礙物的測(cè)距。

４）測(cè)量距離有限。超聲波回波信號(hào)幅值隨傳播距離增大呈指 數(shù)規(guī)律衰減，使得接收器收到的回波信號(hào)隨著測(cè)量距離增大而大幅減小，造成測(cè)量距離有限。而增大發(fā)射器發(fā)射功率會(huì)使換能器 余振增大，加大了測(cè)量盲區(qū)。在電路中串上自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) （ＡＧＶ），使電路放大倍數(shù)隨著測(cè)量距離的增大而按相應(yīng)規(guī)律增加，可減少對(duì)測(cè)量盲區(qū)的影響。但受到超聲波發(fā)射功率和損耗的限制，目前國(guó)內(nèi)超聲波傳感器的最大測(cè)量距離一般不超過(guò)１５ｍ。

４ 超聲波傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

超聲波傳感器作為典型的非接觸檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)具有體積小、 成本低，不受電磁、光線、煙霧等干擾的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。綜合分析了超聲波傳感器在測(cè)距等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問 題及解決方法，對(duì)超聲波傳感器的發(fā)展趨勢(shì)做以下幾點(diǎn)展望：

１）集成化、高精度，未來(lái)的超聲波傳感器將內(nèi)置溫度補(bǔ)償電 路，當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)，由溫度補(bǔ)償電路自動(dòng)進(jìn)行校對(duì)，提高測(cè)量的精度。

２）提高抗干擾性，新型的超聲波傳感器感應(yīng)頭應(yīng)具有更強(qiáng) 的自我保護(hù)能力，可以抵御物質(zhì)損害，適應(yīng)比較臟亂的環(huán)境。使得超聲波傳感器能適應(yīng)惡劣環(huán)境測(cè)量。

３）智能化、數(shù)字化，新型超聲波傳感器應(yīng)易于調(diào)整、適應(yīng)不 同的測(cè)量距離，輸出的信號(hào)有多種類型，使得應(yīng)用更加靈活。

４）多種傳感器融合技術(shù)，隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳感器的檢測(cè)精 度和可靠性要求越來(lái)越高，多種傳感器（如激光測(cè)距、紅外線等） 與超聲波傳感器冗余結(jié)合使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高傳感 器的總體性能，也將成為超聲波傳感器的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

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