超音波感測器

超音波感測器是將超音波信號轉換成其他能量信號（通常是電信號）的感測器。超音波是振動頻率高於20kHz的機械波。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。超音波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超音波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產生都卜勒效應。超音波感測器廣泛套用在工業、國防、生物醫學等方面。

基本介紹

• 中文名：超音波感測器
• 外文名：Ultrasonic sensor
• 所屬類別：感測器 物理學
• 原理：超聲換能器
• 適用領域：工業、國防、生物醫學

組成部分

常用的超音波感測器由壓電晶片組成，既可以發射超音波，也可以接收超音波。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（一個探頭髮射、一個探頭接收）等。

超音波感測器 - MB7780

性能指標

超聲探頭的核心是其塑膠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，如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。超音波感測器的主要性能指標包括：

超音波感測器

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。

工作溫度

由於壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超音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，需要單獨的製冷設備。

超音波感測器

靈敏度

主要取決於製造晶片本身。機電耦合係數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

指向性

超音波感測器探測的範圍

相關套用

主要套用

超音波感測技術套用在生產實踐的不同方面，而醫學套用是其最主要的套用之一，下面以醫學為例子說明超音波感測技術的套用。超音波在醫學上的套用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。超音波診斷的優點是：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。因而推廣容易，受到醫務工作者和患者的歡迎。超音波診斷可以基於不同的醫學原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超音波的反射。當超音波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質界面時，在該界面就產生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的螢幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。

超音波感測器

在工業方面，超音波的典型套用是對金屬的無損探傷和超音波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超音波感測技術的出現改變了這種狀況。當然更多的超音波感測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。在未來的套用中，超音波將與信息技術、新材料技術結合起來，將出現更多的智慧型化、高靈敏度的超音波感測器。

超音波感測器

超音波距離感測器技術套用

超音波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。

超音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都卜勒效應。因此超音波檢測廣泛套用在工業、國防、生物醫學等方面。

超音波距離感測器可以廣泛套用在物位（液位）監測，機器人防撞，各種超音波接近開關，以及防盜報警等相關領域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發射夾角較小，靈敏度高，方便與工業顯示儀表連線，也提供發射夾角較大的探頭。

具體套用

一、超音波感測器可以對貨櫃狀態進行探測。將超音波感測器安裝在塑膠熔體罐或塑膠粒料室頂部，向貨櫃內部發出聲波時，就可以據此分析貨櫃的狀態，如滿、空或半滿等。

二、超音波感測器可用於檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密緻材料和不規則物體。但不適用於室外、酷熱環境或壓力罐以及泡沫物體。

三、超音波感測器可以套用於食品加工廠，實現塑膠包裝檢測的閉環控制系統。配合新的技術可在潮濕環如洗瓶機、噪音環境、溫度極劇烈變化環境等進行探測。

四、超音波感測器可用於探測液位、探測透明物體和材料，控制張力以及測量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗煤的設備運、塑膠加工以及汽車行業等。超音波感測器可用於流程監控以提高產品質量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。

使用超音波感測器技術防止踩錯踏板

日產汽車開發出了防止在要踩剎車時誤踩成油門而使車輛加速的功能，使用攝像頭和超音波感測器推斷出“要在停車場上停車”的情況時，如果駕駛員踩成了油門就會強制剎車。該技術預定在2～3年內實用化。超音波感測器技術就是為了防止在停車場停車時踩錯剎車和油門造成事故而開發的。

該技術是使用在車輛前後左右各配備一個的四個攝像頭和前保險槓、後保險槓各配備四個共八個超音波感測器實現的。4個攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環視顯示器”的攝像頭。利用攝像頭識別出白線等以推斷汽車位於停車場，利用超音波感測器測量出汽車與周圍障礙物之間的距離來確定剎車時機。

防止因踩錯剎車和油門而造成事故分兩步實施。當駕駛員在停車場想停車時，如果踩成了油門，則首先將車速減至蠕滑速度，用儀錶板的圖示來提示危險，並響起警報聲。如果駕駛員仍繼續踩油門而即將撞上牆壁等物體時，則強制剎車。剎車時機為保證汽車在與障礙物相距20～30cm左右時可以停下來。

工作相關

工作原理

人們能聽到聲音是由於物體振動產生的，它的頻率在20HZ-20KHZ範圍內，超過20KHZ稱為超音波，低於20HZ的稱為次聲波。常用的超音波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。

超音波感測器

超音波是一種在彈性介質中的機械振盪，有兩種形式：橫向振盪（橫波）及縱向振盪（縱波）。在工業中套用主要採用縱向振盪。超音波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現象，並且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超音波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠。利用超音波的特性，可做成各種超聲感測器，配上不同的電路，製成各種超聲測量儀器及裝置，並在通訊，醫療家電等各方面得到廣泛套用。

超音波感測器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超音波感測器是一種可逆感測器，它可以將電能轉變成機械振盪而產生超音波，同時它接收到超音波時，也能轉變成電能，所以它可以分成傳送器或接收器。有的超音波感測器既作傳送，也能作接收。這裡僅介紹小型超音波感測器，傳送與接收略有差別，它適用於在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類感測器適用於測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示傳送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計）。另有一種密封式超音波感測器（MA40EI型）。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關用，它的性能較好。超音波套用有三種基本類型，透射型用於遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關等；分離式反射型用於測距、液位或料位；反射型用於材料探傷、測厚等。

超音波感測器

由傳送感測器(或稱波傳送器)、接收感測器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。傳送器感測器由傳送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量並向空中輻射；而接收感測器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產生機械振動，將其變換成電能量，作為感測器接收器的輸出，從而對傳送的超音波信號進行檢測.而實際使用中，用作傳送感測器的陶瓷振子也可以用作接收器感測器社的陶瓷振子。控制部分主要對傳送器發出的脈衝鏈頻率、占空比及稀疏調製和計數及探測距離等進行控制。

工作程式

若對傳送感測器內諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據所加高頻電壓極性伸長與縮短，於是傳送40KHz頻率的超音波，其超音波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調製)，並傳給波接收器。接收器是利用壓力感測器所採用的壓電效應的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發生應變，則產生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進行放大。 超音波感測器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，並及時發出警告。所設計的檢測系統可以同時提供聲光並茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區內障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，藉助倒車障礙報警檢測系統，駕駛員心理壓力就會減少，並可以遊刃有餘地採取必要的動作。

超音波感測器

工作模式

超音波感測器利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。超音波感測器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質均能檢測。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。

超音波感測器

檢測模式

超音波感測器主要採用直接反射式的檢測模式。位於感測器前面的被檢測物通過將發射的聲波部分地發射回感測器的接收器，從而使感測器檢測到被測物。

還有部分超音波感測器採用對射式的檢測模式。一套對射式超音波感測器包括一個發射器和一個接收器，兩者之間持續保持“收聽”。位於接收器和發射器之間的被檢測物將會阻斷接收器接收發射的聲波，從而感測器將產生開關信號。

檢測範圍

超音波感測器的檢測範圍取決於其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型感測器的檢測範圍為300~500mm波長大於5mm的感測器檢測範圍可達8m。一些感測器具有較窄的6º聲波發射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發射角在12º至15º的感測器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超音波感測器，相應的電子線路位於常規感測器外殼內。這種結構更適合檢測安裝空間有限的場合。

超音波感測器

調節

幾乎所有的超音波感測器都能對開關輸出的近點和遠點或是測量範圍進行調節。在設定範圍外的物體可以被檢測到，但是不會觸發輸出狀態的改變。一些感測器具有不同的調節參數，如感測器的回響時間、回波損失性能，以及感測器與泵設備連線使用時對工作方向的設定調節等。

重複精度

波長等因素會影響超音波感測器的精度，其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度，因而許多超音波感測器具有溫度補償的特性。該特性能使模擬量輸出型的超音波感測器在一個寬溫度範圍內獲得高達0.6mm的重複精度。

超音波感測器

輸出功能

所有系列的超音波感測器都有開關量輸出型產品。一些產品還有2路開關量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數產品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產品。

噪聲抑制

金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超音波感測器的參數賦值，這主要是由於頻率範圍的優選和已獲專利的噪聲抑制電路。

同步功能

超音波感測器的同步功能可防干擾。他們通過將各自的同步線進行簡單的連線來實現同步功能。它們同時發射聲波脈衝，象單個感測器一樣工作，同時具有擴展的檢測角度。

超音波感測器

交替工作

超音波感測器 超長掃描型

以交替方式工作的超音波感測器彼此間是相互獨立的，不會相互影響。以交替方式工作的感測器越多，回響的開關頻率越低。

檢測條件

超音波感測器特別適合在“空氣”這種介質中工作。這種感測器也能在其它氣體介質中工作，但需要進行靈敏度的調節。

盲區

直接反射式超音波感測器不能可靠檢測位於超音波換能器前段的部分物體。由此，超音波換能器與檢測範圍起點之間的區域被稱為盲區。感測器在這個區域內必須保持不被阻擋。

溫濕度

空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時間。空氣溫度每上升20ºC，檢測距離至多增加3.5%。在相對乾燥的空氣條件下，濕度的增加將導致聲速最多增加2%。

超音波感測器

空氣壓力

常規情況下大氣變化±5%（選一固定參考點）將導致檢測範圍變化±0.6%。大多數情況下，感測器在5Bar壓力下使用沒有問題。

氣流

氣流的變化將會影響聲速。然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在產生空氣渦流比較普遍的條件下，例如對於灼熱的金屬而言，建議不要採用超音波感測器進行檢測，因為對失真變形的聲波的回聲進行計算是非常困難的。

標準檢測物

採用正方形聲反射板用於額定開關距離sn的標定。

1mm的厚度

垂直性：與聲束軸線垂直。

防護等級

外殼可防固體顆粒和防水。

IP65：完全防塵；防水柱的侵入。

IP67：完全防塵；在恆溫下浸入水下1m深處並放置30分鐘，能夠有效防護。

IP69K：基於EN60529的符合DIN40050-9

泵功能

可施行雙位置控制，例如一個液位控制系統的泵入泵出功能。當一個被測物遠離感測器到達檢測範圍的遠點時，輸出動作。當被測物靠近感測器到達檢測範圍設定的近點時，輸出相反的動作。

系統構成

超音波感測器主要由如下四個部分構成：

• 傳送器：通過振子（一般為陶瓷製品，直徑約為15 mm）振動產生超音波並向空中幅射。
• 接收器：振子接收到超音波時，根據超音波發生相應的機械振動，並將其轉換為電能量，作為接收器的輸出。
• 控制部分：通過用積體電路控制傳送器的超音波傳送，並判斷接收器是否接收到信號（超音波），以及已接收信號的大小。
• 電源部分：超音波感測器通常採用電壓為DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流電源供電，經內部穩壓電路供給感測器工作。

檢測方式

根據被檢測對象的體積、材質、以及是否可移動等特徵，超音波感測器採用的檢測方式有所不同，常見的檢測方式有如下四種：

• 穿透式：傳送器和接收器分別位於兩側，當被檢測對象從它們之間通過時，根據超音波的衰減（或遮擋）情況進行檢測。
• 限定距離式：傳送器和接收器位於同一側，當限定距離內有被檢測對象通過時，根據反射的超音波進行檢測。
• 限定範圍式：傳送器和接收器位於限定範圍的中心，反射板位於限定範圍的邊緣，並以無被檢測對象遮擋時的反射波衰減值作為基準值。當限定範圍內有被檢測對象通過時，根據反射波的衰減情況（將衰減值與基準值比較）進行檢測。
• 回歸反射式：傳送器和接收器位於同一側，以檢測對象（平面物體）作為反射面，根據反射波的衰減情況進行檢測。

檢測好壞

超音波感測器用萬用表直接測試是沒有什麼反映的。要想測試超音波感測器的好壞可以搭一個音頻振盪電路，當C1為390OμF時，在反相器⑧腳與⑩腳間可產生一個1.9kHz左右的音頻信號。把要檢測的超音波感測器(發射和接收)接在⑧腳與⑩腳之間;如果感測器能發出音頻聲音，基本就可以確定此超音波感測器是好的。

註：C1=3900μF時，為1.9kHZ左右；C1=0.O1μF時，約0.76kHZ。

液位測試

超音波測量液位的基本原理是：由超聲探頭髮出的超聲脈衝信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面後被反射，接收到回波信號後計算其超音波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位高度。超音波測量方法有很多其它方法不可比擬的優點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬於非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸鹼等強腐蝕性液體等，因此性能穩定、可靠性高、壽命長；（2）其回響時間短可以方便的實現無滯後的實時測量。

系統採用的超音波感測器的工作頻率為40kHz左右。由發射感測器發出超音波脈衝，傳到液面經反射後返回接收感測器，測出超音波脈衝從發射到接收到所需的時間，根據媒質中的聲速，就能得到從感測器到液面之間的距離，從而確定液面。考慮到環境溫度對超音波傳播速度的影響，通過溫度補償的方法對傳播速度予以校正，以提高測量精度。計算公式為：

V=331.5+0.607T （1）

式中：V為超音波在空氣中傳播速度；T為環境溫度。

S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）

式中：S為被測距離；t為發射超聲脈衝與接收其回波的時間差；t1為超聲回波接收時刻；t0為超聲脈衝發射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時刻和t1時刻，根據以上公式，用軟體編程即可得到被測距離S。由於本系統的MCU選用了具有SOC特點的混合信號處理器，其內部集成了溫度感測器，因此可利用軟體很方便的實現對感測器的溫度補償。

其他

區分

超音波感測器與聲納感測器的區別

聲納感測器和超音波感測器是經常聽說的兩種探測裝置，很多人認為這兩種是一種感測器，這兩種感測器之間有什麼區別呢？
聲納感測器直接探測和識別水中的物體和水底的輪廓，聲納感測器發出一個聲波信號，當遇到物體後會反射回來，依據反射時間及波型去計算它的距離及位置。超音波是一種振動頻率高於聲波的機械波，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。聲納感測器主要用於探測生物，比如用於探測水底有哪些生物，生物體形有多大等。經常問你聽說的用於探測水怪的裝置就是聲納感測器。
超音波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超音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都卜勒效應。因此超音波檢測廣泛套用在工業、國防、生物醫學等方面。超音波感測器是利用超音波的特性研製而成的感測器。在工業方面，超音波的典型套用是對金屬的無損探傷和超音波測厚兩種。超音波感測器在醫學上的套用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。

高頻超音波感測器

注意事項

1：為確保可靠性及長使用壽命，請勿在戶外或高於額定溫度的地方使用感測器。

2：由於超音波感測器以空氣作為傳輸介質，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會導致誤動作，風吹時檢出距離也會發生變化。因此，不應在強制通風機之類的設備旁使用感測器。

3：噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會影響感測器且不應在感測器附近使用。

4：感測器表面的水滴縮短了檢出距離。

5：細粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時無法被檢出（反射型感測器）。

6：不能在真空區或防爆區使用感測器。

7：請勿在有蒸汽的區域使用感測器；此區域的大氣不均勻。將會產生溫度梯度，從而導致測量錯誤。

暴露問題

超音波感測器套用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超音波感測器都有一些缺點，比如，反射問題，噪音，交叉問題。

反射問題

如果被探測物體始終在合適的角度，那超音波感測器將會獲得正確的角度。但是不幸的是，在實際使用中，很少被探測物體是能被正確的檢測的。

其中可能會出現幾種誤差：

三角誤差

當被測物體與感測器成一定角度的時候，所探測的距離和實際距離有個三角誤差。

鏡面反射

這個問題和高中物理中所學的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產生回波，也就無法產生距離讀數。這時超音波感測器會忽視這個物體的存在。

多次反射

這種現象在探測牆角或者類似結構的物體時比較常見。聲波經過多次反彈才被感測器接收到，因此實際的探測值並不是真實的距離值。

這些問題可以通過使用多個按照一定角度排列的超音波圈來解決。通過探測多個超音波的返回值，用來篩選出正確的讀數。

噪音

雖然多數超音波感測器的工作頻率為40-45Khz，遠遠高於人類能夠聽到的頻率。但是周圍環境也會產生類似頻率的噪音。比如，電機在轉動過程會產生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產生的高頻噪音，機器人本身的抖動，甚至當有多個機器人的時候，其它機器人超音波感測器發出的聲波，這些都會引起感測器接收到錯誤的信號。

這個問題可以通過對發射的超音波進行編碼來解決，比如發射一組長短不同的音波，只有當探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進行距離計算。這樣可以有效的避免由於環境噪音所引起的誤讀。

交叉問題

交叉問題是當多個超音波感測器按照一定角度被安裝在機器人上的時候所引起的。超音波X發出的聲波，經過鏡面反射，被感測器Z和Y獲得，這時Z和Y會根據這個信號來計算距離值，從而無法獲得正確的測量。

解決的方法可以通過對每個感測器發出的信號進行編碼。讓每個超音波感測器只聽自己的聲音。