超聲波傳感器的應(yīng)用場景
超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。 在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置。
超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。
超聲波的應(yīng)用
超聲波測厚
用超聲波測量金屬零件的厚度，具有測量精度高、操作簡單、可連續(xù)自動檢測等優(yōu)點。超聲波測厚常用脈沖回波法。此方法的工作原理如圖所示。超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控制器用一定頻率的脈沖信號激勵壓電式探頭，使之產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖被傳到被測工件另一方面時被反射回來，被同一探頭接收。
超聲波測距
空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。
超聲波測物位
存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的位置稱為液位；固體顆粒、粉料、塊料的高度或表面所在位置稱為料位。兩者統(tǒng)稱為物位。
超聲波測量物位是根據(jù)超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而工作的。
根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，超聲波物位傳感器可分為單換能器和雙換能器兩種。單換能器在發(fā)射和接收超聲波時均使用一個換能器，而雙換能器對超聲波的發(fā)射和接收各由一個換能器擔(dān)任。
超聲波傳感器可放置于水中，讓超聲波在液體中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使產(chǎn)生的超聲波脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波傳感器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以實現(xiàn)對物位的測量。
超聲波物位傳感器具有精度高、使用壽命長、安裝方便、不受被測介質(zhì)影響、可實現(xiàn)危險場所的非接觸連續(xù)測量等優(yōu)點。其缺點是：若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會有較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為士0.1% ，測量范圍為10-2-104m。
超聲波測流量
超聲波測量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度不同的特點，從而求得流體的流速和流量。
圖中v為被測流體的平均流速，c為超聲波在靜止流體中的傳播速度，q為超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角( 必須小于 90度),A、B 為兩個超聲波換能器，L為兩者之間距離
超聲波測流量，通常有三種方法：時差法、相位差法和頻率差法。
超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，實現(xiàn)了非接觸測量。它可測流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高黏度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測量，還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測量。
超聲波探傷
超聲波無損探傷在工業(yè)制造中被應(yīng)用，他包括穿透法探傷和反射法探傷。
穿透法探傷：是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。
該方法采用兩個超聲波換能器，分別置于被測工件相對兩個表面，其中一個發(fā)射超聲波，另一個接收超聲波。發(fā)射超聲波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖信號。
當(dāng)被測工件內(nèi)無缺陷時，接收到的超聲波能量大，顯示儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時，部分能量被反射，因此接收到的超聲波能量小，顯示儀表指示值小。根據(jù)這個變化，即可檢測出工件內(nèi)部有無缺陷。
反射法探傷：是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。
測試時，將超聲波探頭放于被測工件上，并在工件上來回移動進(jìn)行檢測。由高頻脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖(發(fā)射脈沖T) 加在超聲波探頭上，激勵其產(chǎn)生超聲波。探頭發(fā)出的超聲波以一定速度向工件內(nèi)部傳播。其中，一部分超聲波遇到缺陷時反射回來，產(chǎn)生缺陷脈沖F，另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面后也反射回來，產(chǎn)生底脈沖B。缺陷脈沖F和底脈沖B被探頭接收后變?yōu)殡娒}沖，并與發(fā)射脈沖T一起經(jīng)放大后，最終在顯示器熒光屏上顯示出來。
多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)而進(jìn)行探傷的方法。超聲波探頭發(fā)出的超聲波由被測工件底部反射回超聲波探頭時，其中一部分超聲波被探頭接收，而剩下部分又折回工件底部，如此往復(fù)反射，直至聲能全部衰減完為止。
超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測內(nèi)部幾米深的缺陷，這是x光探傷所達(dá)不到的深度。
超聲波清洗
當(dāng)弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號作用于液體時，則會對液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時，液體中每個氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。
結(jié)合了超聲波傳感器的一些基本的應(yīng)用功能，我們來看看在各行業(yè)中的應(yīng)用場景：
超聲波傳感器在機(jī)器人自主避障中的應(yīng)用
伴隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能的發(fā)展，移動機(jī)器的避障及自主導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。移動機(jī)器人的自主尋路要求已經(jīng)從之前簡單的功能實現(xiàn)提升到可靠性、通用性、高效率上來，因此對其相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。
采用超聲波傳感器的自主避障機(jī)器人小車
實現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航有個基本要求：避障。 實現(xiàn)避障與導(dǎo)航的必要條件是環(huán)境感知， 需要通過傳感器獲取周圍環(huán)境信息，包括障礙物的尺寸、形狀和位置等信息，因此傳感器技術(shù)在移動機(jī)器人避障中起著十分重要的作用。
避障使用的傳感器主要有超聲波傳感器、視覺傳感器、紅外傳感器、激光傳感器等。
超聲波傳感器檢測避障檢測原理
超聲波傳感器檢測距離原理是：測出發(fā)出超聲波至再檢測到發(fā)出的超聲波的時間差，同時根據(jù)聲速計算出物體的距離。由于超聲波在空氣中的速度與溫濕度有關(guān)，在比較精確的測量中，需把溫濕度的變化和其它因素考慮進(jìn)去。
超聲波傳感器一般作用距離較短，普通的有效探測距離都在5到10米之間，但是會有一個最小探測盲區(qū)，一般在幾十毫米。由于超聲傳感器的成本低，實現(xiàn)方法簡單，技術(shù)成熟，是移動機(jī)器人中常用的傳感器。
超聲波傳感器解決飛機(jī)高空結(jié)冰探測的難題
加拿大針對飛機(jī)的高空結(jié)冰，研發(fā)了兩種冰粒探測技術(shù)，并被加拿大國家研究理事會（NRC）認(rèn)可準(zhǔn)備轉(zhuǎn)入工業(yè)應(yīng)用。
超聲波積冰傳感探測，可用于飛機(jī)積冰探測
由云層中的液態(tài)水引起的飛機(jī)結(jié)冰已經(jīng)困擾了航空界數(shù)十年，最近的研究，則集中在云層中航空氣象雷達(dá)無法發(fā)現(xiàn)的冰晶帶來的危險，高度集聚的冰晶，會影響發(fā)動機(jī)工作并阻塞空速管。NRC表示，目前還沒有可靠的傳感器能夠提供對積冰的早期警示，而超聲波裝置可以彌補(bǔ)這一缺失。
這種超聲波傳感器采用無損貼片形式安裝，體積小、輕薄且低功。采用超聲波形式可以同時作為揚聲器和收音器，通過對結(jié)構(gòu)表面或壁面發(fā)送聲波，可被積冰反射回來，從而反映另一面的積冰數(shù)據(jù)。
NRC表示，這種超聲波裝置不需安裝在被監(jiān)測環(huán)境中。它可以用在發(fā)動機(jī)或飛機(jī)部件的任一非暴露表面，消除了傳感器因為冰、拆卸或穿透發(fā)動機(jī)而損傷的風(fēng)險。當(dāng)除冰人員知道發(fā)動機(jī)上那些位置容易結(jié)冰，就可以縮小監(jiān)測范圍，這樣當(dāng)把傳感器安裝在氣流通道另一側(cè)壁面的合適位置時，就可以探測是否發(fā)生積冰了。
超聲波傳感器 能夠在真實的發(fā)動機(jī)結(jié)冰環(huán)境下探測到冰粒積聚，并且傳感器還具有足夠的敏感度區(qū)分積聚的輕重程度，能有效測量積聚強(qiáng)度。單個超聲波傳感器對于探測是否結(jié)冰就已經(jīng)足夠，但由于尺寸、重量和功耗都很小，NRC認(rèn)為可以安裝多個探測器組成的陣列，這樣就可以提供冰層覆蓋范圍的詳細(xì)數(shù)據(jù)。
超聲波傳感器的測距在智能泊車中的應(yīng)用
汽車的倒車?yán)走_(dá)應(yīng)用了超聲波測距系統(tǒng)，目前有兩種常用的超聲波測距方案。一種是基于單片機(jī)或者嵌入式設(shè)備的超聲波測距系統(tǒng)，一種是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超聲波測距系統(tǒng)。
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。首先，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間T秒，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離L，即：L= C×T /2 。這就是所謂的時間差測距法。
由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?
超聲波波速與溫度的關(guān)系
由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為倒車距離測量的理想選擇。
超聲波傳感器用于智能手機(jī)的指紋認(rèn)證
通過微納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)開發(fā)的傳感器具備超聲波發(fā)送器和接收器的二維陣列，利用照射到指尖的超聲波的反射來讀取指紋。在手指沾水的狀態(tài)下也能準(zhǔn)確讀取，而且在有人企圖利用印有指紋的紙張等進(jìn)行作弊認(rèn)證時，也可以識穿。還能進(jìn)行距離手指表面幾百μm左右的深層掃描。
指紋傳感器部分的超聲波收發(fā)陣列在4.73mm×3.25mm的MEMS芯片上形成，重疊在讀取用CMOS IC上。超聲波收發(fā)陣列上鋪設(shè)了保護(hù)用PDMS膜。利用縱排110×橫排56個壓電元件來發(fā)送和接收超聲波。壓電元件以43μ的縱間距和58μm的橫間距來配置。為了準(zhǔn)確讀取波峰和波谷的間距為數(shù)百μm的指紋，將超聲波頻率設(shè)置成了14MHz。這是可防止超聲波束擴(kuò)散、而且不易在PDMS和皮膚上衰減的最佳頻率值。
讀取指紋時，利用了PDMS與指尖的邊界、以及指尖表皮與皮下組織的邊界的超聲波反射。在指紋中，與PDMS接觸的波峰部分和與空氣層接觸的波谷部分在反射特性上大不相同。這樣便可利用反射波來識別指紋。而且，還可利用表皮與皮下組織的邊界產(chǎn)生的反射波，來識穿印有偽造指紋的紙張等。
形成超聲波收發(fā)陣列的壓電元件是通過在下部帶微腔的硅薄膜上設(shè)置壓電材料而形成的，可施加電壓使其發(fā)生振動。讀取時，可以讀取因振動而發(fā)生的電壓變化。為了減小讀取時的噪聲，在各元件旁邊設(shè)置了沒有微腔、無法接收超聲波的虛擬元件。將兩種元件收到的超聲波以外的信號視為噪聲，利用差動電路來消除。
超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。
在現(xiàn)實生活中，我們不難發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器的應(yīng)用身影。隨著科技水平的高速發(fā)展，超聲波傳感器的使用范圍也愈來愈廣泛。在人類發(fā)展史上，超聲波傳感器的應(yīng)用無處不在，只要人類可以想象到的地方，它都能涉足一腳。
