超声波传感器及其应用

赵卫星

摘 要：本文主要介绍了产生波技术和超声波传感器的构成并分析了超声波传感器在测距离、测流量、侧厚度及材料探伤等方面的应用。超声波具有频率高、波长短、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点使得超声波在传感器方面得到了广泛的应用。具有一定的研究价值。

关键词：超声波技术;超声波测距;超声波侧厚度;超声波测流量;超声波探伤

随着科技的发展。传感器在我们的生活中已随处可见，传感器技术的发展为科技的进步起到了极大的推动作用。超声波传感器以其方向性强、能量易集中等特点在机械工业、流量测量、医疗等方面得到了广泛的应用。

1 超声波技术

超声波技术是集物理学、机械、电子学和材料学多门学科为基础的技术，主要研究超声波的发射、传导和接受。人耳能听到的声波频率具有一定的范围，高于人耳能听到的范围的声波成为超声波，超声波的传导与传导介质和弹性特征有关。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。目前超声波技术广泛应用于机械工业、超声焊接、和超声医疗等方面，取得了良好的社会效益和经济利益。

2 超声波传感器

超声波传感器是利用超声波技术研发的一种传感器，超声波传感器的主要组成部件是既可以发射声波又可以接受声波的压电晶片。用作探测的超声波传感器具有不同的结构，可分为直探头、双探头、斜探头等。构成压电晶片的材料、厚度也各不相同。

3 超声波测距

超声波测距原理是通过超声波发射器发射声波，当声波遇到障碍物时返回，通过声波的传导速度和返回的时间计算出发射器距障碍物的距离，这就是时间差测距法。超声波也是一种声波，其传播速度与温度、压强等因素有关，但在温度变化不大的时候可以忽略温度的影响。如果对测距的要求较高，应当采用温度补偿的方法进行校正。

4 超声波测厚度

超声波侧厚度的常用方法有脉冲回波法、共振法、干涉法等。脉冲回波法测厚度的原理是：超声波探头与被测物体的表面接触，主控制器产生一定的脉冲信号，由接受放大器将信号放大，通过探头传到被测物体表面并反射回来，被同一探头接受。通过声波在物件中的传播速度、试件的厚度及时间即可求出被测物件的厚度。时间间隔可由将发射脉冲和接受脉冲加至示波器的垂直偏转板上求得。

5 超声波测流量

超声波测流量的是利用超声波在静止流体和流动流体传播速度不同的原理测得流体的流速和流量。超声波测流量的方法有：时差法测流量、相位法测流量、频率法测流量等。常使用的工具是超声波流量计。超声波流量计属于非接触式流量计，适用于不易接触和观察的流体和大管径流量。超声波流量计不用在流体中安装测流原件，不会对流体造成阻力影响，此外，超声波流量计几乎不受流体温度、压力、年度、密度等因素的影响，可以保证测量的精确度，因此非常適合工业生产过程。

6 超声波探伤

超声波探伤是一种探测材料是否存在杂质、气孔、裂纹等缺陷的检测手段。透射法探伤是根据超声波穿透被测件后能量的变化来判断被测件内部是否存在缺陷。工作原理是：将超声波发射探头和接受探头放在被测件的两侧，并且在一条直线上，当被测件内部无损伤时，接受的能量最大;当被测件内部有损伤时，因内部能量被反射，接受到的能量偏小。

总结：超声波传感器结构简单、使用方便、成本较低，因此在各行业广泛使用。但目前传感器仍具有一定的缺点：压电材料的居里点一般比较高、超声探头在高温环境工作时需要制冷设备、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，灵敏度低等。

参考文献：

[1]赵燕.传感器原理及应用[M].北京工业大学出版社，2010.

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