超聲波傳感器原理與應用知識

超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在各個行業得到廣泛應用。

超聲波應用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關等；分離式反射型用于測距、液位或料位傳感器；反射型用于材料探傷、測厚傳感器等。

1、超聲波傳感器的基本原理

超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，所以它可以分成發送器或接收器。超聲波傳感器包括三個部分：超聲換能器、處理單元和輸出級。

首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵，其受激后以脈沖形式發出超聲波，接著超聲換能器轉入接受狀態（相當于一個麥克風），處理單元對接收到的超聲波脈沖進行分析，判斷收到的信號是不是所發出的超聲波的回聲。如果是，就測量超聲波的行程時間，根據測量的時間換算為行程，除以2，即為反射超聲波的物體距離。

把超聲波傳感器安裝在合適的位置，對準被測物變化方向發射超聲波，就可測量物體表面與傳感器的距離。

2、環境對超聲波測量的影響

（1）空氣溫度的影響

聲波行程時間受氣溫的影響程度為0.17%/K。也就是說40℃時的聲速相對于20℃時改變了+3.4%，因此測量距離也會改變約+3.4%。但如果選用的超聲波傳感器中有溫度補償功能，此影響可忽略不計。

（2）空氣濕度的影響

從干燥的空氣到飽和濕度的空氣中，聲速最多增加2%。因此測量距離改變最大也只有2%。實際現場中，空氣濕度變化不會如此大，此影響一般小于1%。

（3）空氣壓力的影響

在一固定地點，正常情況下的氣壓波動為±5%，會造成聲速波動約±0.6%。

（4）氣流的影響

當風速大于50km/h時，聲波速度及方向的改變會大于3%。在現場使用中，只有靠近被測物表面的幾厘米的氣流有可能大于20km/h，且垂直于測量方向，故對測量結果的影響可忽略。

（5）油霧的影響

只要防止油霧沉降在超聲換能器的有效表面上，就可避免它的影響。

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