超声波传感器的特性及工作原理

超声波传感器

1）超声波传感器简介

超声波传感器是根据超声波的一些特性制造出来的，用于完成对超声波的发射和接收，内部的换能晶片受到电压的激励而发生振动产生超声波，超声波的频率高、波长短、方向性好、可以线性传播、对液体或者固体有不错的穿透效果，比如一些不透明的物体，超声波可以穿透几十米，而且它在遇到杂质等等物体时会发生反射现象，从而产生回波。

想要用超声波完成检测工作，必须要有一个既可以发出超声波又可以接收超声波的装置，能实现这样功能的装置我们称为超声波传感器，也叫作超声波换能器或者超声探头。

超声波传感器内部的主要部件是压电晶片，它在受到电压的刺激时就可以发射超声波，然后由接收端进行接收。小功率超声波传感器大多用来进行检测，例如一些导盲、坐姿矫正的产品，应用的就是小功率传感器，大功率的超声波传感器在生活中并不常见。超声波传感器有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头（一个用来发射、一个用来接收）等。

2）超声波传感器工作原理

超声波传感器主要由发送部分、接收部分、控制部分和电源部分构成。

其中，发送部分由发送器和换能器构成，换能器可以将压电晶片受到电压激励而进行振动时产生的能量转化为超声波，发送器将产生的超声波发射出去；

接收部分由换能器和放大电路组成，换能器接收到反射回来的超声波，由于接收超声波时会产生机械振动，换能器可以将机械能转换成电能，再由放大电路对产生的电信号进行放大；

控制部分就是对整个工作系统的控制，首先控制发送器部分发射超声波，然后对接收器部分进行控制，判断接收到的是否是由自己发射出去的超声波，最后识别出接收到的超声波的大小；

电源部分就是整个系统的供电装置。这样，在电源作用下、在控制部分控制下，发送器与接收器两者协同合作，就可以完成传感器所需的功能。

3）超声波发生器

为了方便对超声波的研究和利用，人们设计出了许多种类的超声波发生器，各种发生器中超声波的产生方式不同，有电气方式也有机械方式，所以用途也不尽相同。每一种发生器都有自己的应用范围，但是就目前来讲，被普遍使用的还是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器的关键部分是内部的压电晶片，主要是利用压电晶片的谐振来工作，发生器内部有两个压电晶片和一个共振板。

在发生器的两电极之间外加一个脉冲信号，当外加信号的频率与压电晶片的频率相等时，压电晶片就会发生振动，同时也会带动共振板进行振动，这时会产生超声波，这就是超声波发生器的发送端；但是如果发生器的两电极之间没有外加脉冲信号，而共振板又接收到了发射的超声波时，就会迫使压电晶片发生振动，然后产生的机械能转换为电信号，这就是超声波发生器的接收端。

4）超声波测距原理

超声波测距的原理十分简单，由超声波的发射端发射一束超声波，在发射的同时，计时开始，发射出去的超声波在介质中传播，声波具有反射特性，当遇到障碍物时就会反射回来，当超声波的接收端接收到反射回来的超声波时，计时停止。介质为空气时，声速为340m/s，根据记录的时间t，利用公式（2.1）计算出发射位置与障碍物之间的距离。

这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理就是已知超声波在介质中的传播速度，测量出从发射到接收所需的时间，根据测量出的时间来计算出障碍物的距离。因此，超声波测距的原理与回声定位是一样的。

测距的公式如式（2.2）所示：

式中L为测量的距离长度；C为超声波在介质中的传播速度；T为测量出传播时间的一半。

由于超声波的波长相对较短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作测量时具有很高的精度，但是仍然有一些因素可以让超声波测距产生误差。

5）超声波测距误差分析

由超声波测距的公式可知，测距时误差产生的原因主要为超声波在介质中的传播速度和测量距离时超声波传播所需要的时间。

假设要求测量距离时的误差小于1mm，已知超声波在空气中的传播速度C=344m/s（20℃室温），忽略掉超声波的传播误差。测距误差s△t《（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs。所以，只要保证测距时的时间误差精度在微妙时，就可以让测量误差小于1mm。

超声波的传播速度与介质的密度有关，密度越高的时候超声波的传播速度也就越快，当介质为空气时，空气的密度又与温度有关，因此超声波的传播速度受温度影响。

已知超声波的传播速度与温度的关系如下：

式中：r—气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，

R—气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1，

T—温度，273K+T℃。

近似公式为：

式中：表示零0℃时的声波传播速度；T表示实际的温度。

另外，在利用超声波测距时还要考虑环境因素，其中主要的就是温度的影响，在0℃和30℃时，超声波的速度明显不同。因此，在进行高精度测量时，应考虑到温度变化的影响。