一文深度了解超声波传感器及其主要应用场景

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超声波传感器是利用超声波的特性，将超声波信号转换成电信号的传感器。在讲述超声波传感器之前，我们先来了解一下超声波。

　　超声波

                               
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　　声波是一种能在气体、液体、固体中传播的机械波。声波按频率可分为次声波、声波和超声波。

　　声波频率在 16Hz-20kHz 之间,是能为人耳所闻的机械波;次声波就是频率低于16 Hz 的机械，而波超声波则是频率高于20kHz的机械波 。

                               
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　　超声波的特性是频率高、波长短、绕射现象小。它最显著的特性是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。

　　超声波的传播速度：超声波通常有纵波、横波及表面波，他们的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播纵波，气体中声速为344m/s，液体中声速为900-1900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系。通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90% 。

　　超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。能量的衰减决定于超声波的扩散、散射和吸收。

　　以超声波作为检测手段，能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。

　　超声波传感器

　　性能指标

　　超声波传感器的主要性能指标，包括：

　　(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产生失效。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。

　　工作原理

　　超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式 、电磁式等，以压电式最为常用。

　　压电式超声波传感器

　　压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。常用的敏感元件材料主要有压电晶体和压电陶瓷。

　　根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器(发射探头)和接收器(接收探头) 两种，根据结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。

　　压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。

　　压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种用途。

　　典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，底面接地，上面接至引出线。为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片，在压电晶片下粘合一层保护膜。吸收块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收超声波的能量。

                               
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　　磁致伸缩式超声波传感器

　　铁磁材料在交变的磁场中沿着磁场方向产生伸缩的现象，称为磁致伸缩效应。磁致伸缩效应的强弱即材料伸长缩短的程度，因铁磁材料的不同而各异。镍的磁致伸缩效应最大，如果先加一定的直流磁场，再通以交变电流时，它可以工作在特性最好的区域。磁致伸缩传感器的材料除镍外，还有铁钻钒合金和含锌、镍的铁氧体。它们的工作效率范围较窄，仅在几万赫兹以内，但功率可达十万瓦，声强可达几千瓦每平方毫米，且能耐较高的温度。

　　磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。它是用几个厚为0.1-0.4mm的镍片叠加而成，片间绝缘以减少涡流损失，其结构形状有矩形、窗形等。

　　磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场( 即导磁特性)发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。

　　选型要求

　　在选择和安装超声波传感器的时候都需要明确一些基本条件，不然就会直接影响着传感器的测量结果。

　　探测范围和大小

　　要探测的物体大小直接影响超声波传感器的检测范围。传感器必须探测到一定声级的声音才可以进行输出。大部件能将大部分声音反射给超声波传感器，这样传感器即可在其最远传感距离检测到此部件。小部件仅能反射较少的一部分声音，从而导致传感范围大大缩小。

　　探测物体的特点

　　使用超声波传感器探测的理想物体应体积大、平整且密度高，并与变换器正面垂直。最难探测的物体是体积小且由吸音材料制成的物体，或者与变换器呈一定角度的物体。

　　如果液面静止且与传感器表面垂直，探测液体就很容易。如果液面波动大，可延长传感器的响应时间，从而取波动变化的平均值以获得更一致的读数。但是，超声波传感器还不能精确探测表面为泡沫状的液体，因为泡沫会使声音的传播方向发生偏离。

　　这时可以使用超声波传感器的反向超声模式，探测形状不规则的物体。在反向超声模式下，超声波传感器会探测一个平整背景，如墙壁。任何穿过传感器和墙壁之间的物体都会阻断声波。传感器即可通过探测该干扰来识别物体的存在。

　　温度导致的衰减

　　传感器还设计了温度补偿功能，以调节环境温度的缓慢改变。但是，它不能调节温度梯度或环境温度的快速变化。

　　周围是否有振动

　　无论是传感器本身的振动还是附近机器的振动，都可能会影响测量距离时的精确度。可在安装传感器时用橡胶防振装置来减少这类问题。有时也可使用导轨来消除或降低部件振动。

　　环境导致的误测

　　附近的物体可能会反射声波。要准确探测目标物体，必须降低或消除附近声音反射表面的影响。为了避免误测附近物体，许多超声波传感器都装有LED指示灯，用于在安装时指示操作人员，以确保正确安装传感器并降低误测风险。

　　超声波传感器对被检测物进行非接触式无磨损的检测，它对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。

　　注意事项

　　根据超声波传感器的特点和使用中的不同情况，需要注意一下几点：

　　1、为确保可靠性及延长使用寿命，请勿在户外或高于额定温度的地方使用传感器。

　　2、细粉末和棉纱之类的材料在吸收声音时无法被检出(反射型传感器)。

　　3、喷气嘴喷出的喷气有多种频率，因此会影响传感器且不应在传感器附近使用。

　　4、传感器表面的水滴缩短了检出距离。

　　5、由于超声波传感器以空气作为传输介质，因此局部温度不同时，分界处的反射和折射可能会导致误动作，风吹时检出距离也会发生变化。因此，不应在强制通风机之类的设备旁使用传感器。

　　6、请勿在有蒸汽的区域使用传感器;此区域的大气不均匀。将会产生温度梯度，从而导致测量错误

　　7、不能在真空区或防爆区使用传感器。

　　与声纳传感器的区别

　　说到超声波传感器，经常会引出声纳传感器，很多人认为这两种是一种传感器，这两种传感器之间有什么区别呢?

　　声纳传感器直接探测和识别水中的物体和水底的轮廓，声纳传感器发出一个声波信号，当遇到物体后会反射回来，依据反射时间及波型去计算它的距离及位置。 声纳传感器主要用于探测生物，比如用于探测水底有哪些生物，生物体形有多大等。经常问你听说的用于探测水怪的装置就是声纳传感器。

　　超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，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。 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。超声波传感器在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。

　　超声波的应用

　　超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等;分离式反射型用于测距、液位或料位;反射型用于材料探伤、测厚等。

　　超声波测厚

                               
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　　用超声波测量金属零件的厚度，具有测量精度高、操作简单、可连续自动检测等优点。超声波测厚常用脉冲回波法。此方法的工作原理如图所示。超声波探头与被测物体表面接触，主控制器用一定频率的脉冲信号激励压电式探头，使之产生重复的超声波脉冲。脉冲被传到被测工件另一方面时被反射回来，被同一探头接收。

                               
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　　超声波测距

　　空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速(340m/s)，就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。

                               
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　　超声波测物位

　　存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位;固体颗粒、粉料、块料的高度或表面所在位置称为料位。两者统称为物位。

                               
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　　超声波测量物位是根据超声波在两种介质的分界面上的反射特性而工作的。

　　根据发射和接收换能器的功能，超声波物位传感器可分为单换能器和双换能器两种。单换能器在发射和接收超声波时均使用一个换能器，而双换能器对超声波的发射和接收各由一个换能器担任。

　　超声波传感器可放置于水中，让超声波在液体中传播。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使产生的超声波脉冲幅度较小也可以传播。超声波传感器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以实现对物位的测量。

　　超声波物位传感器具有精度高、使用寿命长、安装方便、不受被测介质影响、可实现危险场所的非接触连续测量等优点。其缺点是：若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为士0.1% ，测量范围为10-2-104m。

　　超声波测流量

　　超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。

                               
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　　超声波测流量，通常有三种方法：时差法、相位差法和频率差法。

　　超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，实现了非接触测量。它可测流体种类很多，不论是非导电的流体、高黏度的流体、浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量，还可用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量。

                               
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　　超声波探伤

　　超声波无损探伤在工业制造中被应用，他包括穿透法探伤和反射法探伤。

　　穿透法探伤：是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。

                               
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　　该方法采用两个超声波换能器，分别置于被测工件相对两个表面，其中一个发射超声波，另一个接收超声波。发射超声波可以是连续波，也可以是脉冲信号。

　　当被测工件内无缺陷时，接收到的超声波能量大，显示仪表指示值大;当工件内有缺陷时，部分能量被反射，因此接收到的超声波能量小，显示仪表指示值小。根据这个变化，即可检测出工件内部有无缺陷。

　　反射法探伤：是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。

                               
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　　测试时，将超声波探头放于被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。由高频脉冲发生器发出脉冲(发射脉冲T) 加在超声波探头上，激励其产生超声波。探头发出的超声波以一定速度向工件内部传播。其中，一部分超声波遇到缺陷时反射回来，产生缺陷脉冲F，另一部分超声波继续传至工件底面后也反射回来，产生底脉冲B。缺陷脉冲F和底脉冲B被探头接收后变为电脉冲，并与发射脉冲T一起经放大后，最终在显示器荧光屏上显示出来。

　　多次脉冲反射法是以多次底波为依据而进行探伤的方法。超声波探头发出的超声波由被测工件底部反射回超声波探头时，其中一部分超声波被探头接收，而剩下部分又折回工件底部，如此往复反射，直至声能全部衰减完为止。

                               
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　　超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。

                               
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　　超声波清洗

　　当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡;而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。

                               
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　　结合了超声波传感器的一些基本的应用功能，我们来看看在各行业中的应用场景：

　　超声波传感器在机器人自主避障中的应用

　　伴随着计算机技术、传感器技术、人工智能的发展，移动机器的避障及自主导航技术已经取得了丰硕的研究成果。移动机器人的自主寻路要求已经从之前简单的功能实现提升到可靠性、通用性、高效率上来，因此对其相关技术提出了更高的要求。

                               
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　　实现机器人自主导航有个基本要求：避障。 实现避障与导航的必要条件是环境感知， 需要通过传感器获取周围环境信息，包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息，因此传感器技术在移动机器人避障中起着十分重要的作用。

　　避障使用的传感器主要有超声波传感器、视觉传感器、红外传感器、激光传感器等。

                               
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　　超声波传感器检测距离原理是：测出发出超声波至再检测到发出的超声波的时间差，同时根据声速计算出物体的距离。由于超声波在空气中的速度与温湿度有关，在比较精确的测量中，需把温湿度的变化和其它因素考虑进去。

　　超声波传感器一般作用距离较短，普通的有效探测距离都在5到10米之间，但是会有一个最小探测盲区，一般在几十毫米。由于超声传感器的成本低，实现方法简单，技术成熟，是移动机器人中常用的传感器。

　　超声波传感器解决飞机高空结冰探测的难题

　　加拿大针对飞机的高空结冰，研发了两种冰粒探测技术，并被加拿大国家研究理事会(NRC)认可准备转入工业应用。

                               
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　　由云层中的液态水引起的飞机结冰已经困扰了航空界数十年，最近的研究，则集中在云层中航空气象雷达无法发现的冰晶带来的危险，高度集聚的冰晶，会影响发动机工作并阻塞空速管。NRC表示，目前还没有可靠的传感器能够提供对积冰的早期警示，而超声波装置可以弥补这一缺失。

　　这种超声波传感器采用无损贴片形式安装，体积小、轻薄且低功。采用超声波形式可以同时作为扬声器和收音器，通过对结构表面或壁面发送声波，可被积冰反射回来，从而反映另一面的积冰数据。

　　NRC表示，这种超声波装置不需安装在被监测环境中。它可以用在发动机或飞机部件的任一非暴露表面，消除了传感器因为冰、拆卸或穿透发动机而损伤的风险。当除冰人员知道发动机上那些位置容易结冰，就可以缩小监测范围，这样当把传感器安装在气流通道另一侧壁面的合适位置时，就可以探测是否发生积冰了。

　　超声波传感器 能够在真实的发动机结冰环境下探测到冰粒积聚，并且传感器还具有足够的敏感度区分积聚的轻重程度，能有效测量积聚强度。单个超声波传感器对于探测是否结冰就已经足够，但由于尺寸、重量和功耗都很小，NRC认为可以安装多个探测器组成的阵列，这样就可以提供冰层覆盖范围的详细数据。

　　超声波传感器的测距在智能泊车中的应用

　　汽车的倒车雷达应用了超声波测距系统，目前有两种常用的超声波测距方案。一种是基于单片机或者嵌入式设备的超声波测距系统，一种是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超声波测距系统。

                               
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　　超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。首先，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C=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L，即：L= C×T /2 。这就是所谓的时间差测距法。

　　由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

                               
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　　由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为倒车距离测量的理想选择。

　　超声波传感器用于智能手机的指纹认证

　　通过微纳机电系统(MEMS)技术开发的传感器具备超声波发送器和接收器的二维阵列，利用照射到指尖的超声波的反射来读取指纹。在手指沾水的状态下也能准确读取，而且在有人企图利用印有指纹的纸张等进行作弊认证时，也可以识穿。还能进行距离手指表面几百μm左右的深层扫描。

　　指纹传感器部分的超声波收发阵列在4.73mm×3.25mm的MEMS芯片上形成，重叠在读取用CMOS IC上。超声波收发阵列上铺设了保护用PDMS膜。利用纵排110×横排56个压电元件来发送和接收超声波。压电元件以43μ的纵间距和58μm的横间距来配置。为了准确读取波峰和波谷的间距为数百μm的指纹，将超声波频率设置成了14MHz。这是可防止超声波束扩散、而且不易在PDMS和皮肤上衰减的最佳频率值。

　　读取指纹时，利用了PDMS与指尖的边界、以及指尖表皮与皮下组织的边界的超声波反射。在指纹中，与PDMS接触的波峰部分和与空气层接触的波谷部分在反射特性上大不相同。这样便可利用反射波来识别指纹。而且，还可利用表皮与皮下组织的边界产生的反射波，来识穿印有伪造指纹的纸张等。

                               
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　　形成超声波收发阵列的压电元件是通过在下部带微腔的硅薄膜上设置压电材料而形成的，可施加电压使其发生振动。读取时，可以读取因振动而发生的电压变化。为了减小读取时的噪声，在各元件旁边设置了没有微腔、无法接收超声波的虚拟元件。将两种元件收到的超声波以外的信号视为噪声，利用差动电路来消除。

　　超声波传感器在医学上的应用

　　超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。

　　在现实生活中，我们不难发现超声波传感器的应用身影。随着科技水平的高速发展，超声波传感器的使用范围也愈来愈广泛。在人类发展史上，超声波传感器的应用无处不在，只要人类可以想象到的地方，它都能涉足一脚。

　　本文内容经授权综合自传感器技术公众号。