超声波传感器及应用：十大超声波传感器应用案例

原标题：十大超声波传感器应用案例

不管你的任务是在物流行业，工程机械，食品和饮料，料位检测或自动门和工业门检测：超声波传感器都能为最多样化的应用需求提供解决方案。请看以下9种综合应用实例，向你展示了超声波传感器的应用多功能性。

1、超声波停车辅助系统
超声波停车辅助也被称为停车辅助系统、停车引导系统和倒车辅助。这些系统可实现从简单地检测周围物体并通过声音警示驾驶员，到几乎没有人为操作的自动停车。通常，这些系统拥有4-16个感应器，巧妙地围绕车身安装，以提供所需的检测覆盖

2、踢脚开启后备箱
踢脚开启后备箱也称为智能后备箱开启系统。该功能使车主将脚放在后保险杠下方，无需使用双手，仅需踢脚动作就能打开汽车后备箱

3、距离15厘米到1米的物体检测
使用超声波感应技术于踢脚开启后备箱的挑战之一是近距离检测范围。超声波感应器精确检测近场物体的能力取决于感应器的质量和传感器的规格、驱动方法和设计以及接收路径（AFE和数字处理）的性能。

4、高空作业平台的防撞检测
可驾驶的高空作业平台在许多建筑工地变得越来越普及。这些平台可以大大方便高空作业的实施，有效提高生产效率。然后，由于碰撞引起的严重高空作业平台事故几乎每天都在发生，因此安全问题不容忽视。超声波传感器可以有效地保障这类设备的安全运行。

5、用于喷雾喷嘴的超声波超感器
为了帮助树木保持在最佳状态，化学药品通过特殊的喷洒过程被应用到。这些药品对于农民来说是高成本的。

为了让收成卖出合理的价格，喷洒工作必须尽可能高效。使用超声波传感器通过检测检测树木间的间隙节省农药。一旦这些间隙被发现，喷涂过程会暂时停止。

6、使用超声波传感器实现对垃圾收集车的控制
对于可靠的操作，移动设备需要的传感器使它可以全天候应用在恶劣的条件下。对这些车辆来说，极端的温度，剧烈的颠簸和震动是常见的。用于这些车辆如垃圾收集卡车上的超声波传感器，必须非常的坚固可靠，可以保证安全操作。

7、叉车托盘检测
物流行业应用通常依赖于叉车可靠地运送重物到指定地点。倍加福超声波传感器在特定区域内监控叉车，确保其准确性和可靠性。依靠超声波传感器，您能决定托盘是否已上叉车以及在叉车托杆插入托盘底下多深。

8、印刷电路板输送线
从智能手机和家用电器到我们所驾驶的车，电子-因此印刷电路板（PCBs）-是今天几乎每个机器必不可少的特征。这些印刷电路板是任何设备的核心，必须被极其小心的处理。超声波传感器能帮助控制这些高度敏感的印刷电路板的生产过程。

9、饮料灌装机采用超声波传感器进行饮料瓶记数
在几个关键节点对瓶子进行检测与计数，确保了连续的物流监控。对每只瓶进入与离开灌装系统都进行优化，并可靠地检测缺失的瓶子。即使在强烈的蒸汽领域，也能精准的确保饮料瓶的检测。

10、超声波传感器用于闸机系统的车辆检测
在停车场和车库，入口使用闸机系统来控制。当有一个车辆在栏杆下面，栏杆不能降下。超声波传感器特别适合控制这一过程。他们检测目标物不会受车辆的型号或者颜色的影响，在栏杆的下方监测整个区域。

超声波传感器及应用：深度了解超声波传感器的应用场景

超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置。
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。
超声波的应用
超声波测厚

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。

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。

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。

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。

图中v为被测流体的平均流速，c为超声波在静止流体中的传播速度，q为超声波传播方向与流体流动方向的夹角( 必须小于 90度),A、B 为两个超声波换能器，L为两者之间距离
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

采用超声波传感器的自主避障机器人小车
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。

超声波传感器检测避障检测原理
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。

超声波积冰传感探测，可用于飞机积冰探测
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。

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。

超声波波速与温度的关系
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。

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。
 

超声波传感器及应用：超声波传感器主要分类和应用

去百度文库，查看完整内容>
内容来自用户:博航教育
超声波传感器主要分类和应用
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为2

超声波传感器及应用：超声波传感器的工作原理及其应用案例的分析

描述
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，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。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
以超声波作为检测手段，必须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，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
一、超声波传感器的工作原理：
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波传感器是用来测量物体的距离。首先，超声波传感器会发射一组高频声波，般为４０－４５ＫＨｚ，当声波遇到物体后，就会被反弹回，并被接受到。通过计算声波从发射到返回的时间，再乘以声波在媒介中的传播速度（３４４米／秒，空气中）。就可以获得物体相对于传感器的距离值了。
二、超声波传感器的测距原理：
超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。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(s)，即：s=340t/2）
三、超声波传感器的分类：
超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩磁式、电磁式等，其中以压电式为最常见。
四、超声波传感器的组成：
超声波传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。
五、超声波传感器的主要性能和特性：
（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
超声波传感器就好比一个喇叭，能将电流信号转换成高频声波，或者将声波转换成电信号。（其实多数喇叭都可以当作话筒用，不信大家可以去试一下，用喇叭代替麦克风，也是可以的，只不过麦克风将声波转化成电信号的能力比较强一点。所以，更加灵敏一点。）
六、超声波传感器的应用案例：
1、超声波传感器焊接的应用，压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下,可得到较大功率的超声波,可以被聚焦,能用于集成电路及塑料的焊接。
2、超声波传感器多普勒效应应用，交警用超声波多普勒车速测量仪可以根据超声波的多普勒效应,测量出汽车的行驶速度。
3、超声波传感器倒车雷的应用，倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”,也叫“泊车辅助装置”,是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置,由超声波传感器(俗称探头)、控制器和显示器(或蜂鸣器)等部分组成。能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况,解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷,提髙驾驶的安全性。
fqj
打开APP阅读更多精彩内容