1.引言
隨著自動化等新技術(shù)的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備都離不開傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是自動化生產(chǎn)過程中，用各種傳感器來監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，如溫度、壓力、流量，等等，以便使設(shè)備工作在佳狀態(tài)，產(chǎn)品達到好的質(zhì)量。
20世紀中葉，人們發(fā)現(xiàn)某些介質(zhì)的晶體（如石英晶體、酒石酸鉀鈉晶體、PZT晶體等）在高電壓窄脈沖作用下，能產(chǎn)生較大功率的超聲波。它與可聞聲波不同，可以被聚焦，能用于集成電路的焊接、顯像管內(nèi)部的清洗；在檢測方面，利用超聲波有類似于光波的折射、反射的特性，制作超聲波納探測器，可以用于探測海底沉船、敵方潛艇，等等。
現(xiàn)在超聲波已經(jīng)滲透到我們生活中的許多領(lǐng)域，例如B超、遙控、防盜、無損探傷，等等。
2.超聲波的概念
人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz―20kHz范圍內(nèi)，稱為可聞聲波。低于20Hz的機械振動人耳不可聞，稱為次聲波；高于20kHz的機械振動稱為超聲波，常用的超聲波頻率為幾十kHz至幾十MHz。
超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）和縱向振蕩（縱波）。工業(yè)中的應(yīng)用常采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，但傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波頻率較低，一般為幾十kHz，但衰減較快；在固體、液體中傳播頻率較高，但衰減較小，傳播較遠。
3.超聲波的特點
超聲波的指向性好，不易發(fā)散，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，在穿透幾米厚的鋼板后，能量損失不大。超聲波在遇到兩種介質(zhì)的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。超聲波的頻率越高，其聲場指向性就越好，與光波的反射、折射特性就越接近。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲波測量儀器及裝置，并在通信、醫(yī)療、家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。
4.超聲波傳感器的原理
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，由發(fā)送傳感器、接收傳感器、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器的作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進行檢測。實際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可用作接收器傳感器上的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比、稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進行控制。超聲波傳感器電源可用DC12V±10%或24V±10%。
5.超聲波探頭
超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術(shù)中主要采用壓電式。由于其結(jié)構(gòu)不同，換能器又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭，等等。本文以固體傳導(dǎo)介質(zhì)為例，簡要介紹以下三種探頭。
（1）單晶直探頭。俗稱直探頭，其壓電晶片采用PZT壓電陶瓷制作。發(fā)射超聲波時，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出一束頻率落在超聲波范圍內(nèi)、持續(xù)時間很短的超聲振動波，垂直投射到試件內(nèi)。假設(shè)該試件為鋼板，而其底面與空氣交界，到達鋼板底部的超聲波絕大部分能量被底部界面所反射。反射波經(jīng)過一短暫的傳播時間回到壓電晶片。再利用壓電效應(yīng)，晶片將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。
（2）雙晶直探頭。由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一個殼體內(nèi)，其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜一些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。
（3）斜探頭。有時為使超聲波能傾斜入射到被測介質(zhì)中，可選用斜探頭。壓電晶片粘貼在與底面成一定角度的有機玻璃斜楔塊上。當斜楔塊與不同材料被測介質(zhì)接觸時，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計算求得。
6.超聲波傳感器的應(yīng)用
超聲波傳感器應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其主要的應(yīng)用之一。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害，方法簡便，顯像清晰，診斷的準確率高，等等，因而受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷是利用超聲波的反射原理，當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲振幅的高低。
在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷、超聲波測厚和測量液位等。過去，許多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感器的出現(xiàn)改變了這種狀況。超聲波探測既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測材料內(nèi)部幾米深的缺陷。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。
超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有許多其他方法不可比擬的優(yōu)點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾、酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長；（2）響應(yīng)時間短，可以方便地實現(xiàn)無滯后的實時測量。
7.結(jié)語
超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點，比如反射問題、噪音問題、交叉問題，等等。本文簡要介紹了超聲波的概念、特點，分析了超聲波傳感器的原理，并給出了超聲波傳感器的幾種典型應(yīng)用，對今后對超聲波傳感器的進一步學(xué)習(xí)和研究有一定的參考價值和實用價值。

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