超声波传感器

超声波是指超出人类听力范围（> 20 kHz）的信号，通常在40至70 kHz范围内。这些信号像雷达一样使用，它们会向目标辐射并反射回源。它们价格低廉，灵活，并且特别适用于短距离应用，尤其是汽车，家庭和工业机器人设计。

超声波传感器有时与微波/毫米波雷达和摄像机结合使用，以在汽车和工业应用中提供不同但互补的周围环境视图。如果您正在寻找一种传感器，它不仅可以检测目标的存在，还可以告诉您目标有多远，则超声波可能是您的理想选择。

一、超声波传感器测距的原理

超声波信号是指人类听力范围以上的信号，大约为30到480 kHz.对于超声波感应，最广泛使用的范围是40到70 kHz.频率决定范围和分辨率；较低的频率产生最大的感应范围。常用频率为58 kHz,测量分辨率为1厘米（cm），范围最大为11米。在300 kHz时，分辨率可能低至1毫米。但是，此频率范围的最大距离约为30 cm.

超声波收发器通过压电换能器辐射信号。当该信号撞击目标时，会产生反射信号。该信号在收发器处接收，收发器测量发送和返回的时间。然后，使用空气中的声速计算距离D.

自由空间中的声音速度（以英尺/秒为单位）为1120.该值随温度和其他周围因素而变化，但是它是用于范围计算的良好平均值。

D是超声信号的总往返行程，T是发送和接收的时间（以秒为单位）。那么往返距离为：

D = 1120（T）

收发器与远程目标之间的实际距离是D的一半。

二、超声波应用

超声波技术已经进入了广泛的应用领域，最大的领域可能是接近检测和距离测量。其他包括储罐，流量测量系统和成像产品中的液位检测。大多数较新的应用都针对消费电子，汽车和工业/机器人领域。

①、消费电子

如今，房主希望使他们的房屋自动化。最受欢迎的是恒温器和照明控件，但其他便利包括吊扇，视频门铃，车库门开启器和安全警报器。所有这些可能都可以通过添加某种形式的邻近检测来改善。这样可以根据占用情况和安全警报自动打开或关闭照明灯，调节暖气和空调。

另一个潜在的应用是针对流行的语音激活/响应集线器（如Amazon Alexa,Google Home,Apple HomePod等）的接近检测。如果附近没有人，这些设备可以睡眠并节省电能，但是如果检测到存在，则可以唤醒。

当前流行的应用是自动吸尘器，即自动吸尘地板的机器。大多数使用超声波在超声波换能器成功检测到的物体周围导航。多个换能器使这些设备具有完整的360度视野，即使在最复杂的房间中也可以轻松导航。

对于不需要在家中达到高速的机器人，超声感应是雷达的一种低成本，低速替代品。超声波感应比避开障碍物的光学飞行时间更可靠，因为超声波感应不受障碍物反射的可用光量的影响。一些应用程序还表明，超声波优于被动红外（PIR）传感器，后者甚至可能被动物甚至昆虫所欺骗。

②、汽车行业

超声波是某些汽车应用的理想选择。现在，它已用于现代先进的驾驶员辅助系统（ADAS）中的盲点检测和自动泊车。它已在许多新SUV流行的后备箱打开式行李箱/尾门功能中找到了位置。这些传感器足够小，价格适中，是新用户的不错选择。

③、工业制造

在制造和其他工业应用中，机器人的自动化是日益增长的趋势。他们在工厂车间四处移动物料。他们在装配操作中根据需要拾取并放置对象。一个重要的问题是机器人之间或机器人与人之间的碰撞。这就是接近检测可以防止此类事故发生的地方-——超声波传感器非常适合处理此任务。他们为机器人提供了更高的智能水平，可帮助他们完成材料处理工作而不会发生意外。

三、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。

四、超声波传感器类型：

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。

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。

五、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。

六、品牌推荐及产品选型：

Pulsotronic 是 PHOENIX CONTACT PS Holding GmbH 的子公司，是全球活跃的移动机械、自动化和汽车传感器技术和电子元件供应商。根据我们的座右铭“一切都来自一个来源 - 为您带来优势”。 我们提供范围广泛的创新和现代技术。位于工业区开姆尼茨-茨维考，我们开发和制造：

电感式和电容式传感器

旋转角度传感器/编码器

电流传感器

雷达传感器

磁阻传感器

光学传感器和激光测量系统

控制单元、逻辑模块、总线节点

超声波和声学传感器

倾斜和加速度传感器

应变传感器传感器

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超声波传感器可远距离检测固体或流体目标 - 不依赖于表面的特性。传感器配备了示教功能和不同的接口。Pulsotronic 超声波传感器以其最大的高分辨率而脱颖而出。0,2mm，最佳精度和大感应范围。我们提供数字和模拟输出。优点：独立表面，可用于透明物体，非接触式，高工作间隔。