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    超声波传感器工作原理及行业应用案例


      超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

    超声波传感器

      以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。


      一、超声波传感器的工作原理:


      超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波传感器是用来测量物体的距离。首先,超声波传感器会发射一组高频声波,般为40-45KHz,当声波遇到物体后,就会被反弹回,并被接受到。通过计算声波从发射到返回的时间,再乘以声波在媒介中的传播速度(344米/秒,空气中)。就可以获得物体相对于传感器的距离值了。


      二、超声波传感器的测距原理:


      超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波,它的根据是接收器接到超声波时的时间差,与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。


      (超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t(秒),就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2)

    超声波传感器的接收原理.png

      三、超声波传感器的分类:


      超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩磁式、电磁式等,其中以压电式为最常见。


      四、超声波传感器的组成:


      超声波传感器主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能是不同的,使用前必须预先了解它的性能。


      五、超声波传感器的主要性能和特性:


      (1)工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高


      (2)工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高,特别时诊断用超声波探头使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高,需要单独的制冷设备


      (3)灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高:反之,灵敏度低


      超声波传感器就好比一个喇叭,能将电流信号转换成高频声波,或者将声波转换成电信号。(其实多数喇叭都可以当作话筒用,不信大家可以去试一下,用喇叭代替麦克风,也是可以的,只不过麦克风将声波转化成电信号的能力比较强一点。所以,更加灵敏一点。)


      六、超声波传感器的应用案例:

    超声波传感器机械行业的应用.png

      1、超声波传感器焊接的应用


      压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下,可得到较大功率的超声波,可以被聚焦,能用于集成电路及塑料的焊接。

    超声波传感器的应用.png

      2、超声波传感器多普勒效应应用


      交警用超声波多普勒车速测量仪可以根据超声波的多普勒效应,测量出汽车的行驶速度。

    超声波传感器倒车雷的应用.png

      3、超声波传感器倒车雷的应用


      倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”,也叫“泊车辅助装置”,是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置,由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器(或蜂鸣器)等部分组成。能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况,解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提髙驾驶的安全性。


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