超聲波傳感器工作原理及主要性能指標

超聲波傳感器是利用超聲波的特性，將超聲波信號轉換成電信號的傳感器。在講述超聲波傳感器之前，我們先來了解一下超聲波。

超聲波

聲波是一種能在氣體、液體、固體中傳播的機械波。聲波按頻率可分為次聲波、聲波和超聲波。

聲波頻率在 16Hz-20kHz 之間，是能為人耳所聞的機械波；次聲波就是頻率低于16 Hz 的機械，而波超聲波則是頻率高于20kHz的機械波 。

超聲波的特性是頻率高、波長短、繞射現象小。它最顯著的特性是方向性好，且在液體、固體中衰減很小，穿透本領大，碰到介質分界面會產生明顯的反射和折射，因而廣泛應用于工業檢測中。

超聲波的傳播速度：超聲波通常有縱波、橫波及表面波，他們的傳播速度，取決于介質的彈性常數及介質密度。氣體和液體中只能傳播縱波，氣體中聲速為344m/s，液體中聲速為900-1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關系。通?？烧J為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90% 。

超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。能量的衰減決定于超聲波的擴散、散射和吸收。

以超聲波作為檢測手段，能產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。

超聲波傳感器

性能指標

超聲波傳感器的主要性能指標，包括；

（1）工作頻率。

工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，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一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產生失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。

（3）靈敏度。

主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

工作原理

超聲波傳感器按其工作原理，可分為壓電式、磁致伸縮式 、電磁式等，以壓電式最為常用。

壓電式超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應原理來工作的。常用的敏感元件材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷。

根據正、逆壓電效應的不同，壓電式超聲波傳感器分為發生器（發射探頭）和接收器（接收探頭） 兩種，根據結構和使用的波型不同可分為直探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、可變角探頭、雙晶探頭、聚焦探頭、水浸探頭、噴水探頭和專用探頭等。

壓電式超聲波發生器是利用逆壓電效應的原理將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波。當外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會產生共振，此時產生的超聲波最強。壓電式超聲波傳感器可以產生幾十千赫到幾十兆赫的高頻超聲波，其聲強可達幾十瓦每平方厘米。

壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應原理進行工作的。當超聲波作用到壓電晶片上引起晶片伸縮，在晶片的兩個表面上便產生極性相反的電荷，這些電荷被轉換成電壓經放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。壓電式超聲波接收器的結構和超聲波發生器基本相同，有時就用同一個傳感器兼作發生器和接收器兩種用途。

典型的壓電式超聲波傳感器結構主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜等組成。壓電晶片多為圓板形，超聲波頻率與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導電的極板，底面接地，上面接至引出線。為了避免傳感器與被測件直接接觸而磨損壓電晶片，在壓電晶片下粘合一層保護膜。吸收塊的作用是降低壓電晶片的機械品質，吸收超聲波的能量。

磁致伸縮式超聲波傳感器

鐵磁材料在交變的磁場中沿著磁場方向產生伸縮的現象，稱為磁致伸縮效應。磁致伸縮效應的強弱即材料伸長縮短的程度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應最大，如果先加一定的直流磁場，再通以交變電流時，它可以工作在特性最好的區域。磁致伸縮傳感器的材料除鎳外，還有鐵鉆釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。它們的工作效率范圍較窄，僅在幾萬赫茲以內，但功率可達十萬瓦，聲強可達幾千瓦每平方毫米，且能耐較高的溫度。

磁致伸縮式超聲波發生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產生機械尺寸的交替變化即機械振動，從而產生出超聲波。它是用幾個厚為0.1-0.4mm的鎳片疊加而成，片間絕緣以減少渦流損失，其結構形狀有矩形、窗形等。

磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材料伸縮，從而導致它的內部磁場（ 即導磁特性）發生改變。根據電磁感應，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應電動勢。此電勢送到測量電路，最后記錄或顯示出來。