超聲波距離傳感器設計原理性能指標及傳感器結構

超聲波距離傳感器可以廣泛應用在物位液位監測，機器人防撞，各種超聲波接近開(kāi)關(guān)，以及防盜報警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻 率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(cháng)短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線(xiàn)而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱(chēng)為超聲換能器，或者超聲探頭?！〕曁筋^的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：

1工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

2工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(cháng)時(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。

3靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之靈敏度低。

當電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì )隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，當振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號時(shí)，就會(huì )因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電信號?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。

如超聲波傳感器，一個(gè)復合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。該復合式振動(dòng)器是諧振器以及，由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器的一個(gè)結合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動(dòng)器的中央部位。

室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部?jì)葌?。底座固定在盒體的開(kāi)口端，并且使用樹(shù)脂進(jìn)行覆蓋。對應用于工業(yè)機器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達到1mm，并且具有較強的超聲波輻射。

利用常規雙壓電晶片元件振動(dòng)器的彎曲振動(dòng)，在頻率高于75kHz的情況下，是不可能達到此目的的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直厚度振動(dòng)模式的壓電陶瓷。在這種情況下，壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。壓電陶瓷的聲阻抗為2.6×107kg/m2s，而空氣的聲阻抗為4.3×102kg/m2s。5個(gè)冪的差異會(huì )導致在壓電陶瓷振動(dòng)輻射表面上的大量損失。一種特殊材料粘附在壓電陶瓷上，作為聲匹配層，可實(shí)現與空氣的聲阻抗相匹配。這種結構可以使超聲波傳感器在高達數百kHz頻率的情況下，仍然能夠正常工作。