剖析超聲波與傳感器的工作原理

1 超聲波簡(jiǎn)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(yuǎn)。無論是在軍事上、農(nóng)業(yè)上還是在生活中都有廣泛的應(yīng)用，可以用來測(cè)速度、測(cè)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(diǎn)，但是超聲波的波長(zhǎng)較短，有的是幾厘米，最低可至千分之幾毫米。波長(zhǎng)越短，聲波的衍射特性就越差，可以在介質(zhì)中穩(wěn)定地進(jìn)行直線傳播，因此波長(zhǎng)較短的超聲波具有很強(qiáng)的直線傳播能力。眾所周知，聲音在空氣中傳播時(shí)，會(huì)推動(dòng)空氣中的粒子振動(dòng)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(gè)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(zhì)中進(jìn)行效傳播的能力。

（2） 超聲波具有很強(qiáng)的傳遞能量的能力。

（3） 超聲波具有反射特性，還會(huì)產(chǎn)生干涉、疊加和共振現(xiàn)象。

（4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生空化現(xiàn)象和強(qiáng)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(yīng)用，主要有以下幾個(gè)方面：

1）醫(yī)學(xué)方面

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

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

超聲針灸就是利用超聲波技術(shù)來刺激穴位，這種療法對(duì)組織沒有損傷，而且具有無痛、無不適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在治療小孩子或者一些害怕針灸的患者時(shí)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(jīng)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(shí)，每一秒都進(jìn)行著幾萬次這樣的變換，超聲波在液體內(nèi)部不斷地進(jìn)行透射作用，在沒有壓力作用時(shí)，液體內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)真空核泡群，在有壓力作用時(shí)，真空核泡群在壓力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)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(dá)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(huì)減弱，因此超聲波清理的效果很好卻不會(huì)傷害到器件表面。

3）超聲測(cè)距

由于超聲波的波長(zhǎng)相對(duì)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(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)。而且超聲測(cè)距的原理簡(jiǎn)單，比其他的測(cè)距方式都方便容易操作，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便，測(cè)量精度也能滿足要求，因此在一些移動(dòng)式機(jī)器人或者導(dǎo)盲系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。

3 超聲波傳感器

1）超聲波傳感器簡(jiǎn)介

超聲波傳感器是根據(jù)超聲波的一些特性制造出來的，用于完成對(duì)超聲波的發(fā)射和接收，內(nèi)部的換能晶片受到電壓的激勵(lì)而發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波的頻率高、波長(zhǎng)短、方向性好、可以線性傳播、對(duì)液體或者固體有不錯(cuò)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(zhì)等等物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生回波。

想要用超聲波完成檢測(cè)工作，必須要有一個(gè)既可以發(fā)出超聲波又可以接收超聲波的裝置，能實(shí)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(nèi)部的主要部件是壓電晶片，它在受到電壓的刺激時(shí)就可以發(fā)射超聲波，然后由接收端進(jìn)行接收。小功率超聲波傳感器大多用來進(jìn)行檢測(cè)，例如一些導(dǎo)盲、坐姿矯正的產(chǎn)品，應(yīng)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(jié)構(gòu)，可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭（一個(gè)用來發(fā)射、一個(gè)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(gòu)成。

其中，發(fā)送部分由發(fā)送器和換能器構(gòu)成，換能器可以將壓電晶片受到電壓激勵(lì)而進(jìn)行振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為超聲波，發(fā)送器將產(chǎn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，換能器可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再由放大電路對(duì)產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大；

控制部分就是對(duì)整個(gè)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(duì)接收器部分進(jìn)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(shí)別出接收到的超聲波的大?。?/p>

電源部分就是整個(gè)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(duì)超聲波的研究和利用，人們?cè)O(shè)計(jì)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(chǎn)生方式不同，有電氣方式也有機(jī)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(yīng)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(guān)鍵部分是內(nèi)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(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。

在發(fā)生器的兩電極之間外加一個(gè)脈沖信號(hào)，當(dāng)外加信號(hào)的頻率與壓電晶片的頻率相等時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)共振板進(jìn)行振動(dòng)，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)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(hào)，而共振板又接收到了發(fā)射的超聲波時(shí)，就會(huì)迫使壓電晶片發(fā)生振動(dòng)，然后產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這就是超聲波發(fā)生器的接收端。

4）超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距的原理十分簡(jiǎn)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(shí)，計(jì)時(shí)開始，發(fā)射出去的超聲波在介質(zhì)中傳播，聲波具有反射特性，當(dāng)遇到障礙物時(shí)就會(huì)反射回來，當(dāng)超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時(shí)，計(jì)時(shí)停止。介質(zhì)為空氣時(shí)，聲速為 340m/s，根據(jù)記錄的時(shí)間 t，利用公式（2.1）計(jì)算出發(fā)射位置與障礙物之間的距離。

這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。

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

測(cè)距的公式如式（2.2）所示：

式中 L 為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；T 為測(cè)量出傳播時(shí)間的一半。

由于超聲波的波長(zhǎng)相對(duì)較短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作測(cè)量時(shí)具有很高的精度，但是仍然有一些因素可以讓超聲波測(cè)距產(chǎn)生誤差。

5）超聲波測(cè)距誤差分析

由超聲波測(cè)距的公式可知，測(cè)距時(shí)誤差產(chǎn)生的原因主要為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度和測(cè)量距離時(shí)超聲波傳播所需要的時(shí)間。

假設(shè)要求測(cè)量距離時(shí)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(cè)距誤差 s△t<(0.001/344)≈0.000002907s 即 2.907μs。所以，只要保證測(cè)距時(shí)的時(shí)間誤差精度在微妙時(shí)，就可以讓測(cè)量誤差小于 1mm。

超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，密度越高的時(shí)候超聲波的傳播速度也就越快，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，空氣的密度又與溫度有關(guān)，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(guān)系如下：

式中：r —?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為 1.40，

R —?dú)怏w普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—?dú)怏w分子量，空氣為 28.8×10-3kg·mol-1，

T—絕對(duì)溫度，273K+T℃。

近似公式為：

式中：表示零 0℃時(shí)的聲波傳播速度；T 表示實(shí)際的溫度。

另外，在利用超聲波測(cè)距時(shí)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(shí)，超聲波的速度明顯不同。因此，在進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，應(yīng)考慮到溫度變化的影響。

編輯：jq