剖析超聲波與傳感器的工作原理

1 超聲波簡介

我們把頻率高于 20KHz 的聲波稱為超聲波，超聲波具有良好的方向性和穿透能力，特別是在水中，傳播距離更遠。無論是在軍事上、農業(yè)上還是在生活中都有廣泛的應用，可以用來測速度、測距離、消毒殺菌、清洗、焊接等。

人耳能聽到的超聲波頻率范圍大概是 20Hz-20KHz，超聲波的頻率大于人類聽覺上限，因此叫做“超聲波”。

超聲波與普通聲波一樣，也具有反射、折射、衍射、散射等特點，但是超聲波的波長較短，有的是幾厘米，最低可至千分之幾毫米。波長越短，聲波的衍射特性就越差，可以在介質中穩(wěn)定地進行直線傳播，因此波長較短的超聲波具有很強的直線傳播能力。眾所周知，聲音在空氣中傳播時，會推動空氣中的粒子振動做功，而聲波功率的大小表示聲波做功快慢，在相同環(huán)境下，聲波的頻率越高功率就越大。超聲波的頻率大于 20KHz，因此超聲波的功率較高。

超聲波主要有兩個參數(shù)：

頻率：F≥20000Hz（通常把 F≥15000Hz 的聲波也稱為超聲波）；

功率密度：p=發(fā)射功率(W)/ 發(fā)射面積(cm2)；通常 p≥0.3w/cm。

超聲波具有如下特性：

（1） 超聲波具有在氣體、液體、固體等介質中進行效傳播的能力。

（2） 超聲波具有很強的傳遞能量的能力。

（3） 超聲波具有反射特性，還會產生干涉、疊加和共振現(xiàn)象。

（4） 超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產生空化現(xiàn)象和強烈的沖擊。

2 超聲波用途

超聲波在生活中的很多方面都有應用，主要有以下幾個方面：

1）醫(yī)學方面

在醫(yī)學方面，超聲波主要應用為醫(yī)學診斷與臨床治療。醫(yī)學診斷中，超聲波的主要應用為 B 超。由于超聲波具有反射、折射等特點，如果將超聲波發(fā)射到人體內，它就會在人體內部發(fā)生反射，人體內部各個器官形狀大小都不一樣，因此反射回來的聲波方向、強度等信息也不同，醫(yī)生通過對反射回來的聲波進行分析，再結合一些醫(yī)學方面的專業(yè)知識，就可以知道人體內部的某些部位是否產生病變。

在臨床治療中，超聲波主要被用來殺死腫瘤細胞和超聲針灸，我們知道超聲波的功率很大，利用醫(yī)學影像技術，將多束超聲波聚焦在病變的細胞上，控制好照射的強度和時間，短時間的溫度將達到 70~100℃，在保護周圍組織的同時殺死了病變細胞。

超聲針灸就是利用超聲波技術來刺激穴位，這種療法對組織沒有損傷，而且具有無痛、無不適應等優(yōu)點，在治療小孩子或者一些害怕針灸的患者時有很好的效果。此外，超聲波在體外碎石，理療、牙科等方面也經常使用。

2）超聲清洗

超聲清洗主要基于空化作用，空化作用總體上就是在有壓力和無壓力作用時，每一秒都進行著幾萬次這樣的變換，超聲波在液體內部不斷地進行透射作用，在沒有壓力作用時，液體內部就會出現(xiàn)真空核泡群，在有壓力作用時，真空核泡群在壓力的作用下產生強大的沖擊力，因此可以帶走物體表面的污垢，完成清洗工作。一些表面凹凸不平的器件，或者特別小難以清洗的部件，例如鐘表、電子元器件、電路板等都可以達到很好的清洗效果。而且隨著超聲波頻率的升高，空化作用的效果會減弱，因此超聲波清理的效果很好卻不會傷害到器件表面。

3）超聲測距

由于超聲波的波長相對較短，具有良好的方向性和穿透能力，能量消耗的比較慢，在介質中傳播距離較遠。而且超聲測距的原理簡單，比其他的測距方式都方便容易操作，計算也比較簡便，測量精度也能滿足要求，因此在一些移動式機器人或者導盲系統(tǒng)中有廣泛的應用。

3 超聲波傳感器

1）超聲波傳感器簡介

超聲波傳感器是根據超聲波的一些特性制造出來的，用于完成對超聲波的發(fā)射和接收，內部的換能晶片受到電壓的激勵而發(fā)生振動產生超聲波，超聲波的頻率高、波長短、方向性好、可以線性傳播、對液體或者固體有不錯的穿透效果，比如一些不透明的物體，超聲波可以穿透幾十米，而且它在遇到雜質等等物體時會發(fā)生反射現(xiàn)象，從而產生回波。

想要用超聲波完成檢測工作，必須要有一個既可以發(fā)出超聲波又可以接收超聲波的裝置，能實現(xiàn)這樣功能的裝置我們稱為超聲波傳感器，也叫作超聲波換能器或者超聲探頭。

超聲波傳感器內部的主要部件是壓電晶片，它在受到電壓的刺激時就可以發(fā)射超聲波，然后由接收端進行接收。小功率超聲波傳感器大多用來進行檢測，例如一些導盲、坐姿矯正的產品，應用的就是小功率傳感器，大功率的超聲波傳感器在生活中并不常見。超聲波傳感器有許多不同的結構，可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭（一個用來發(fā)射、一個用來接收）等。

2）超聲波傳感器工作原理

超聲波傳感器主要由發(fā)送部分、接收部分、控制部分和電源部分構成。

其中，發(fā)送部分由發(fā)送器和換能器構成，換能器可以將壓電晶片受到電壓激勵而進行振動時產生的能量轉化為超聲波，發(fā)送器將產生的超聲波發(fā)射出去；

接收部分由換能器和放大電路組成，換能器接收到反射回來的超聲波，由于接收超聲波時會產生機械振動，換能器可以將機械能轉換成電能，再由放大電路對產生的電信號進行放大；

控制部分就是對整個工作系統(tǒng)的控制，首先控制發(fā)送器部分發(fā)射超聲波，然后對接收器部分進行控制，判斷接收到的是否是由自己發(fā)射出去的超聲波，最后識別出接收到的超聲波的大?。?/p>

電源部分就是整個系統(tǒng)的供電裝置。這樣，在電源作用下、在控制部分控制下，發(fā)送器與接收器兩者協(xié)同合作，就可以完成傳感器所需的功能。

3）超聲波發(fā)生器

為了方便對超聲波的研究和利用，人們設計出了許多種類的超聲波發(fā)生器，各種發(fā)生器中超聲波的產生方式不同，有電氣方式也有機械方式，所以用途也不盡相同。每一種發(fā)生器都有自己的應用范圍，但是就目前來講，被普遍使用的還是壓電式超聲波發(fā)生器。

壓電式超聲波發(fā)生器的關鍵部分是內部的壓電晶片，主要是利用壓電晶片的諧振來工作，發(fā)生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板。

在發(fā)生器的兩電極之間外加一個脈沖信號，當外加信號的頻率與壓電晶片的頻率相等時，壓電晶片就會發(fā)生振動，同時也會帶動共振板進行振動，這時就會產生超聲波，這就是超聲波發(fā)生器的發(fā)送端；但是如果發(fā)生器的兩電極之間沒有外加脈沖信號，而共振板又接收到了發(fā)射的超聲波時，就會迫使壓電晶片發(fā)生振動，然后產生的機械能轉換為電信號，這就是超聲波發(fā)生器的接收端。

4）超聲波測距原理

超聲波測距的原理十分簡單，由超聲波的發(fā)射端發(fā)射一束超聲波，在發(fā)射的同時，計時開始，發(fā)射出去的超聲波在介質中傳播，聲波具有反射特性，當遇到障礙物時就會反射回來，當超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時，計時停止。介質為空氣時，聲速為 340m/s，根據記錄的時間 t，利用公式（2.1）計算出發(fā)射位置與障礙物之間的距離。

這就是所謂的時間差測距法。

超聲波測距的原理就是已知超聲波在介質中的傳播速度，測量出從發(fā)射到接收所需的時間，根據測量出的時間來計算出障礙物的距離。因此，超聲波測距的原理與回聲定位是一樣的。

測距的公式如式（2.2）所示：

式中 L 為測量的距離長度；C 為超聲波在介質中的傳播速度；T 為測量出傳播時間的一半。

由于超聲波的波長相對較短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作測量時具有很高的精度，但是仍然有一些因素可以讓超聲波測距產生誤差。

5）超聲波測距誤差分析

由超聲波測距的公式可知，測距時誤差產生的原因主要為超聲波在介質中的傳播速度和測量距離時超聲波傳播所需要的時間。

假設要求測量距離時的誤差小于 1mm，已知超聲波在空氣中的傳播速度 C=344m/s (20℃室溫)，忽略掉超聲波的傳播誤差。測距誤差 s△t<(0.001/344)≈0.000002907s 即 2.907μs。所以，只要保證測距時的時間誤差精度在微妙時，就可以讓測量誤差小于 1mm。

超聲波的傳播速度與介質的密度有關，密度越高的時候超聲波的傳播速度也就越快，當介質為空氣時，空氣的密度又與溫度有關，因此超聲波的傳播速度受溫度影響。

已知超聲波的傳播速度與溫度的關系如下：

式中：r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為 1.40，

R —氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—氣體分子量，空氣為 28.8×10-3kg·mol-1，

T—絕對溫度，273K+T℃。

近似公式為：

式中：表示零 0℃時的聲波傳播速度；T 表示實際的溫度。

另外，在利用超聲波測距時還要考慮環(huán)境因素，其中最為主要的就是溫度的影響，在 0℃和 30℃時，超聲波的速度明顯不同。因此，在進行高精度測量時，應考慮到溫度變化的影響。

編輯：jq