超聲波感測器的原理及應用
1.引言
隨著自動化等新技術的發展，感測器的使用數量越來越大，
20世紀中葉，人們發現某些介質的晶體（如石英晶體、酒石酸鉀鈉晶體、PZT晶體等）在高電壓窄脈衝作用下，能產生較大功率的超聲波。它與可聞聲波不同，
現在超聲波已經滲透到我們生活中的許多領域，例如B超、遙控、防盜、無損探傷，等等。
2.超聲波的概念
人們能聽到聲音是由於物體振動產生的，它的頻率在20Hz―20kHz範圍內，稱為可聞聲波。低於20Hz的機械振動人耳不可聞，
超聲波是一種在彈性介質中的機械振盪，有兩種形式：橫向振盪（橫波）和縱向振盪（縱波）。工業中的應用常採用縱向振盪。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，但傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現象，且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波頻率較低，一般為幾十kHz，但衰減較快；在固體、液體中傳播頻率較高，
3.超聲波的特點
超聲波的指向性好，不易發散，能量集中，因此穿透本領大，在穿透幾米厚的鋼板後，能量損失不大。超聲波在遇到兩種介質的分介面時，能產生明顯的反射和折射現象，這一現象類似于光波。超聲波的頻率越高，其聲場指向性就越好，與光波的反射、折射特性就越接近。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波感測器，
4.超聲波感測器的原理
超聲波感測器是利用超聲波的特性研製而成的感測器，由發送感測器、接收感測器、控制部分與電源部分組成。發送器感測器由發送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器的作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量並向空中輻射；接收感測器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，
5.超聲波探頭
超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數種，在檢測技術中主要採用壓電式。由於其結構不同，換能器又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭，等等。本文以固體傳導介質為例，簡要介紹以下三種探頭。
（1）單晶直探頭。俗稱直探頭，其壓電晶片採用PZT壓電陶瓷製作。發射超聲波時，將500V以上的高壓電脈衝加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，使晶片發射出一束頻率落在超聲波範圍內、持續時間很短的超聲振動波，垂直投射到試件內。假設該試件為鋼板，而其底面與空氣交界，到達鋼板底部的超聲波絕大部分能量被底部介面所反射。反射波經過一短暫的傳播時間回到壓電晶片。再利用壓電效應，晶片將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓。
（2）雙晶直探頭。由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一個殼體內，其中一片晶片發射超聲波，另一片晶片接收超聲波。雙晶探頭的結構雖然複雜一些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。
（3）斜探頭。有時為使超聲波能傾斜入射到被測介質中，可選用斜探頭。壓電晶片粘貼在與底面成一定角度的有機玻璃斜楔塊上。當斜楔塊與不同材料被測介質接觸時，超聲波產生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計算求得。
6.超聲波感測器的應用
超聲波感測器應用在生產實踐的不同方面，而醫學應用是其最主要的應用之一。超聲波在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為臨床醫學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優點是：對受檢者無痛苦、無損害，方法簡便，顯像清晰，診斷的準確率高，等等，因而受到醫務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷是利用超聲波的反射原理，當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質介面時，在該介面就產生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的螢幕上顯示出來，而兩個介面的阻抗差值也決定了回聲振幅的高低。
在工業方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷、超聲波測厚和測量液位等。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波感測器的出現改變了這種狀況。超聲波探測既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測材料內部幾米深的缺陷。當然更多的超聲波感測器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。
超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭髮出的超聲脈衝信號在氣體中傳播，遇到空氣與液體的介面後被反射，接收到回波信號後計算其超聲波往返的傳播時間即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有許多其他方法不可比擬的優點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬於非接觸式測量，不怕電磁干擾、酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩定、可靠性高、壽命長；（2）回應時間短，可以方便地實現無滯後的即時測量。
7.結語
超聲波感測器應用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波感測器都有一些缺點，比如反射問題、噪音問題、交叉問題，等等。本文簡要介紹了超聲波的概念、特點，分析了超聲波感測器的原理，並給出了超聲波感測器的幾種典型應用，對今後對超聲波感測器的進一步學習和研究有一定的參考價值和實用價值。
5.超聲波探頭
超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數種，在檢測技術中主要採用壓電式。由於其結構不同，換能器又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭，等等。本文以固體傳導介質為例，簡要介紹以下三種探頭。
（1）單晶直探頭。俗稱直探頭，其壓電晶片採用PZT壓電陶瓷製作。發射超聲波時，將500V以上的高壓電脈衝加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，使晶片發射出一束頻率落在超聲波範圍內、持續時間很短的超聲振動波，垂直投射到試件內。假設該試件為鋼板，而其底面與空氣交界，到達鋼板底部的超聲波絕大部分能量被底部介面所反射。反射波經過一短暫的傳播時間回到壓電晶片。再利用壓電效應，晶片將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓。
（2）雙晶直探頭。由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一個殼體內，其中一片晶片發射超聲波，另一片晶片接收超聲波。雙晶探頭的結構雖然複雜一些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。
（3）斜探頭。有時為使超聲波能傾斜入射到被測介質中，可選用斜探頭。壓電晶片粘貼在與底面成一定角度的有機玻璃斜楔塊上。當斜楔塊與不同材料被測介質接觸時，超聲波產生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計算求得。
6.超聲波感測器的應用
超聲波感測器應用在生產實踐的不同方面，而醫學應用是其最主要的應用之一。超聲波在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為臨床醫學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優點是：對受檢者無痛苦、無損害，方法簡便，顯像清晰，診斷的準確率高，等等，因而受到醫務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷是利用超聲波的反射原理，當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質介面時，在該介面就產生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的螢幕上顯示出來，而兩個介面的阻抗差值也決定了回聲振幅的高低。
在工業方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷、超聲波測厚和測量液位等。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波感測器的出現改變了這種狀況。超聲波探測既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測材料內部幾米深的缺陷。當然更多的超聲波感測器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。
超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭髮出的超聲脈衝信號在氣體中傳播，遇到空氣與液體的介面後被反射，接收到回波信號後計算其超聲波往返的傳播時間即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有許多其他方法不可比擬的優點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬於非接觸式測量，不怕電磁干擾、酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩定、可靠性高、壽命長；（2）回應時間短，可以方便地實現無滯後的即時測量。
7.結語
超聲波感測器應用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波感測器都有一些缺點，比如反射問題、噪音問題、交叉問題，等等。本文簡要介紹了超聲波的概念、特點，分析了超聲波感測器的原理，並給出了超聲波感測器的幾種典型應用，對今後對超聲波感測器的進一步學習和研究有一定的參考價值和實用價值。