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超聲波傳感器感應器概念特點及作用

來源： | 2021-10-01

超聲波換能器和超聲波傳感器是產生或感應超聲波能量的設備。它們可以分為三大類：發送器、接收器和收發器。發射器將電信號轉換為超聲波，接收器將超聲波轉換為電信號，收發器既可以發射也可以接收超聲波。

超聲波感應是檢測透明物體的最佳方式之一，具有高可靠性，有些超聲波傳感器可以檢測任何顏色、表面或材料的物體。在其他光學技術可能失效的情況下，超聲波傳感器是一種可靠的標簽檢測解決方案，可用于任何照明環境。

本文超聲波傳感器目錄：
1、應用和性能
2、換能器
3、在醫學上的使用
4、工業用途

一、超聲波傳感器應用程序和性能
超聲波可用于測量風速和風向（風速計）、罐或通道液位以及通過空氣或水的速度。為了測量速度或方向，設備使用多個檢測器并根據與空氣或水中顆粒物的相對距離計算速度。為了測量罐或通道液位，以及海平面（潮汐計），傳感器測量到流體表面的距離（測距）。進一步的應用包括：加濕器、聲納、醫學超聲、防盜報警、無損檢測和無線充電。

系統通常使用換能器，通過將電能轉換為聲音，然后在接收到回聲后將聲波轉換為可以測量和顯示的電能，從而產生 18 kHz 以上的超聲波范圍內的聲波。

這項技術也可以檢測接近的物體并跟蹤它們的位置。

超聲波還可用于通過在換能器之間傳輸和接收離散的超聲波突發來進行點對點距離測量。這種技術被稱為聲納微測量其中的超聲信號的渡越時間的電子測量，（即數字）和數學轉換為換能器假定是已知的換能器之間的介質的聲速之間的距離。這種方法在時間和空間分辨率方面非常精確，因為飛行時間測量可以通過參考電平或零交叉跟蹤相同的入射（接收）波形得出。這使得測量分辨率遠遠超過由換能器產生的聲頻波長。

二、超聲波換能器
超聲波換能器將交流電轉換為超聲波，反之亦然。超聲波，通常是指壓電換能器或電容換能器。當施加電壓時，壓電晶體會改變尺寸和形狀；交流電壓使它們以相同的頻率振蕩并產生超聲波。電容式換能器使用導電膜片和背板之間的靜電場。

換能器的波束模式可由有效換能器面積和形狀、超聲波波長和傳播介質的聲速確定。這些圖表顯示了未聚焦和聚焦超聲換能器在水中的聲場，顯然處于不同的能量水平。

由于壓電材料在受力時會產生電壓，因此它們也可以用作超聲波探測器。一些系統使用單獨的發射器和接收器，而另一些系統將這兩種功能結合到一個壓電收發器中。

超聲波發射器也可以使用非壓電原理。比如磁致伸縮。當暴露在磁場中時，具有這種特性的材料會略微改變尺寸，并制成實用的換能器。

電容器（“冷凝器”）麥克風具有響應超聲波的薄隔膜。振膜和緊密間隔的背板之間電場的變化將聲音信號轉換為電流，該電流可以被放大。

隔膜（或膜）原理也用于相對較新的微機械超聲換能器 (MUT)。這些器件是使用硅微加工技術（MEMS技術）制造的，這對制造換能器陣列特別有用。可以使用隔膜和緊密間隔的背板 ( CMUT )之間的電容或通過在隔膜上添加薄薄的壓電材料層 ( PMUT ) 以電子方式測量或感應隔膜的振動。或者，最近的研究表明，隔膜的振動可以通過集成在隔膜內部的微型光學環形諧振器(OMUS) 來測量。

超聲波換能器也用于聲懸浮。

三、超聲波傳感器在醫學中的使用
醫用超聲換能器（探頭）有各種不同的形狀和尺寸，用于制作身體各個部位的橫截面圖像。換能器可以與皮膚接觸使用，如在胎兒超聲成像中，或插入身體開口，如直腸或陰道。執行超聲引導程序的臨床醫生通常使用探頭定位系統來固定超聲換能器。

四、超聲波傳感器在工業中使用
在許多自動化工廠和加工廠中，超聲波傳感器可以檢測目標的移動并測量它們的距離。傳感器可以具有用于檢測物體運動的開或關數字輸出，或與距離成比例的模擬輸出。作為幅材引導系統的一部分，它們可以感應材料的邊緣。

超聲波傳感器在汽車中廣泛用作停車傳感器，以幫助駕駛員倒車進入停車位。它們正在接受許多其他汽車用途的測試，包括超聲波人員檢測和輔助自主無人機導航。

由于超聲波傳感器使用聲音而不是光進行檢測，因此它們可以在光電傳感器無法使用的應用中工作。超聲波是透明物體檢測和液位測量的絕佳解決方案，這些應用由于目標半透明而受到光電技術的困擾。同樣，目標顏色或反射率不會影響超聲波傳感器，超聲波傳感器可以在強光環境中可靠運行。

無源超聲波傳感器可用于檢測高壓氣體或液體泄漏，或其他產生超聲波的危險情況。在這些設備中，來自換能器（麥克風）的音頻被轉換為人類聽覺范圍。

高功率超聲波發射器用于市售超聲波清洗設備。超聲波換能器固定在裝有溶劑（通常是水或異丙醇）的不銹鋼盤上。方波饋入換能器，在溶劑中產生足以引起空化的聲音。

超聲波技術已被用于多種清潔目的。在過去十年中，其中一個獲得了相當大的吸引力的是超聲波槍清潔。

超聲波檢測還廣泛用于冶金和工程領域，以使用不同類型的掃描來評估腐蝕、焊縫和材料缺陷。
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