淺談超聲波傳感器的原理及性能指標

超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。?數年前，在傳感器技術領域，超聲波傳感器一直是備用的選擇。?新技術使得今天的超聲波傳感器非常堅固耐用并有著精確的感應能力，這些新增強的特性拓展了新的應用領域，完全超越了傳統的超聲波傳感器的應用。?

超聲波傳感器的原理及性能指標

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。?

超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。?

超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。?超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。?

因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。以超聲波作為檢測手段，必須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，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。

超聲波傳感器利用傳感器頭部的壓振陶瓷的振動，產生高頻人耳聽不見的聲波來進行感應的，如果這聲波碰到了某個物體，傳感器就能接收到返回波。?

傳感器通過聲波的波長和發射聲波以及接收到返回聲波的時間差就能確定物體的距離，一個傳感器可以通過按鈕的設定來擁有近距離和遠距離兩種設定，無論物體在那一種界限里，傳感器都可以檢測到。?

有一些超聲波傳感器使用獨立的發射器和接收器，當檢測緩慢移動的物體，?或者需要快速響應或者在潮濕環境中應用時，這種對射式或者叫分離式的超聲波傳感器就非常適用。?在檢測透明物體、液體，檢測光滑、粗糙和有光澤的，半透明材料的物體表面，和檢測不規則物體時，超聲波傳感器都是首選。?

超聲波傳感器不適用的情況有：戶外，極熱的環境，有壓力的容器內，同樣不能檢測有泡沫的物體。

超聲波傳感器主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。?小功率超聲探頭多作探測作用。?它有許多不同的結構，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（一個探頭反射、一個探頭接收）等。?

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。?構成晶片的材料可以有許多種。?晶片的大小，直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。?

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。?

超聲波傳感器的典型性應用

不管你的任務是在物流行業，工程機械，食品和飲料，料位檢測或自動門和工業門檢測：超聲波傳感器都能為最多樣化的應用需求提供解決方案。請看以下9種綜合應用實例，向你展示了超聲波傳感器的多功能性。

超聲波傳感器用于砂礫儲存倉的料位監測

散裝的建筑材料是露天開采的，如沙子，碎石，礫石。這些材料在深度達50m處被挖掘，并且必須被妥善儲存直到它們被運輸離開現場。傳送帶運輸這些建筑材料到儲物倉。超聲波傳感器確定儲物倉是否到達最大的料位值。

檢測農業機械的噴桿高度

為確保一致性，最佳的噴灑覆蓋凹凸不平的地形和不同農作物高度, 為了防止噴桿影響農作物或者土壤，其高度必須連續地被監測和調節。超聲波傳感器非常適用于這一應用，因為它不受灰塵，污物和化學品的影響，并且對于檢測任何顏色的表面具有相同的精度。

高空作業平臺的防撞檢測

可駕駛的高空作業平臺在許多建筑工地變得越來越普及。這些平臺可以大大方便高空作業的實施，有效提高生產效率。然后，由于碰撞引起的嚴重高空作業平臺事故幾乎每天都在發生，因此安全問題不容忽視。超聲波傳感器可以有效地保障這類設備的安全運行。

用于噴霧噴嘴的超聲波超感器

為了幫助樹木保持在最佳狀態，化學藥品通過特殊的噴灑過程被應用到。這些藥品對于農民來說是高成本的。

為了讓收成賣出合理的價格，噴灑工作必須盡可能高效。使用超聲波傳感器通過檢測檢測樹木間的間隙節省農藥。一旦這些間隙被發現，噴涂過程會暫時停止。

使用超聲波傳感器實現對垃圾收集車的控制

對于可靠的操作，移動設備需要的傳感器使它可以全天候應用在惡劣的條件下。對這些車輛來說，極端的溫度，劇烈的顛簸和震動是常見的。用于這些車輛如垃圾收集卡車上的超聲波傳感器，必須非常的堅固可靠,可以保證安全操作。

叉車托盤檢測

物流行業應用通常依賴于叉車可靠地運送重物到指定地點。倍加福超聲波傳感器在特定區域內監控叉車，確保其準確性和可靠性。依靠超聲波傳感器，您能決定托盤是否已上叉車以及在叉車托桿插入托盤底下多深。

印刷電路板輸送線

從智能手機和家用電器到我們所駕駛的車，電子-因此印刷電路板（PCBs）-是今天幾乎每個機器必不可少的特征。這些印刷電路板是任何設備的核心，必須被極其小心的處理。超聲波傳感器能幫助控制這些高度敏感的印刷電路板的生產過程。

飲料灌裝機采用超聲波傳感器進行飲料瓶記數

在幾個關鍵節點對瓶子進行檢測與計數，確保了連續的物流監控。對每只瓶進入與離開灌裝系統都進行優化，并可靠地檢測缺失的瓶子。即使在強烈的蒸汽領域，也能精準的確保飲料瓶的檢測。

超聲波傳感器用于閘機系統的車輛檢測

在停車場和車庫，入口使用閘機系統來控制。當有一個車輛在欄桿下面，欄桿不能降下。超聲波傳感器特別適合控制這一過程。他們檢測目標物不會受車輛的型號或者顏色的影響，在欄桿的下方監測整個區域。

超聲波傳感器的創新型應用

根據當前市場發展趨勢，超聲波傳感器在流量測量、廢物管理、可預見性維護和自動駕駛探測等四大領域爆發出令人難以置信的創新潛力。

1、更智能的流量測量

超聲波傳感器技術的改進使它們更加精確和便宜，在減小尺寸的同時提高了可用性。憑借這些改進，它們將成為有效的流量測量技術，特別是對于公用事業公司。對水表、燃氣表和熱量表的益處顯而易見。

例如，制造商可以用超聲波傳感器替換掉原來的機械式流量計。超聲波傳感器引人注目的優勢在于它們精度高，且沒有任何機械的活動部件。即便如此，制造商還必須了解管路設計和傳感器的安裝位置，才能充分享受技術帶來的好處。

未來，超聲波技術將在實現供能管網現代化方面發揮重要作用。隨著超聲波傳感器的不斷發展，它們將使管網更加穩健、高效和安全。就目前的趨勢而言，可以確信這項技術將有助于“智能管網”的成熟發展。

2、改善廢物管理

超聲波傳感器的眾多應用之一是能夠確定料倉中剩余物料的數量。這些傳感器通過向容器內物質的表面水平發射聲束，然后接收該聲束的反射，以實現測量功能。即使有灰塵也不影響計算的準確性。

通過這種方式，超聲波傳感器可在廢物管理中發揮積極作用。通過戰略性地將傳感器投放到垃圾桶中，市政公司可以改進垃圾廢物的收集過程，減少低效率的操作。這些傳感器還可以防止泄漏或其他意外和傷害事故發生。

按照當前超聲波傳感器技術的發展軌跡，它們可能在未來十年內會廣泛用于廢物管理。隨著傳感器價格不斷下降，它們的普及程度將不斷提高，這些傳感器也使得市政服務部門的職能更簡單和更有效率。

3、可靠的預測性維護

超聲波傳感器在狀態監測和預測性維護方面具有一定的應用價值。它們可以最小化生產停機時間、提高故障排除能力、增強質量控制和安全性。美國能源部（DOE）甚至建議將超聲波技術作為泄漏檢測的首要解決方案之一。

第三方評估小組就超聲波技術的價值潛力在某機構內的500多家網點進行了調研。他們發現在每家網點都有超過100種應用，包括鍋爐、壓縮機、熱交換器、蒸汽疏水閥、閥門和其它部件等。經濟效益非?？捎^。

通過安裝超聲波技術，該機構每年將節省大約370萬美元?？紤]到市場趨勢，更多的制造商將采用超聲波傳感器進行預測性維護，在升級之前評估并解決較小的問題。

4、增強自動駕駛車輛的安全性

各種傳感器被用于輔助自動駕駛車輛導航和基本操作。在這些傳感器中，超聲波技術已經與自動駕駛系統集成。超聲波傳感器在傳統車輛中也有應用，用于幫助盲點監測和自動泊車。

特斯拉的自動駕駛車輛是超聲波傳感器應用的主要案例之一。它們的超聲波傳感器可以感知周圍近8米的范圍，以保障行駛途中乘客的安全。憑借這種程度的感知意識，特斯拉汽車可以有效地降低風險，避免事故發生。

隨著自動駕駛車輛的逐年改進，超聲波傳感器也將隨之發展。它們將有助于更容易地向自動駕駛汽車過渡，以及緩解對潛在探測問題的憂慮。隨著超聲波傳感器效能的不斷發揮，這項技術將證明在未來是不可或缺的。

目前，更多的新一代超聲波傳感器安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。?在未來的應用中，超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來，將出現更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器，利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測，且其檢測性能幾乎不受任何環境條件的影響，包括煙塵環境和雨天。??

審核編輯：黃飛

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