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*声波传感器是利用*声波的特性研制而成的传感器。*声波是指频率高于20kHz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，*是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。*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。*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*声波检测广泛应用在工业、国*、生物*等方面。^[1]

*声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射*声波，也可以接收*声波。小功率*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。

*声探头的*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，我们使用前*须预先了解它的性能。*声波传感器的主要性能指标包括：

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*大，灵敏度也*高。

由于压电材料的居里点一般比较高，*是诊断用*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。*用的*声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

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。

*声波传感器探测的范围

*声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而*应用是其 *主要的应用之一，下面以*为例子说明*声波传感技术的应用。*声波在*上的应用主要是诊断*，它已经成为了**中*的诊断方法。*声波诊断的优点是：对受检者*苦、*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*的欢迎。*声波诊断可以基于不同的*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*声波的反射。当*声波在人体组织中传播遇到两层声阻*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*差值也决定了回声的振幅的高低。

在工业方面，*声波的典型应用是对金属的*探伤和*声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，*声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的*声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的 应用中，*声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的*声波传感器。

*声波距离传感器技术应用

*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。

*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*声波

检测广泛应用在工业、国*、生物*等方面。

*声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人*撞，各种*声波接近开关，以及

*盗报警等相关领域，工作*，安装方便， *水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表

连接，也提供发射夹角较大的探头。

一、*声波传感器可以对集装箱状态进行探测。将*声波传感器安装在塑料熔体罐或塑料粒料室顶部，向集装箱内部发出声波时，就可以据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等。

二、*声波传感器可用于检测透明物体、液体、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不规则物体。但不适用于室外、酷热环境或压力罐以及泡沫物体。

三、*声波传感器可以应用于食品*厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。配合新的技术可在潮湿环如洗瓶机、噪音环境、温度*剧烈变化环境等进行探测。^[2]

四、*声波传感器可用于探测液位、探测透明物体和材料，控制张力以及测量距离，主要为包装、制瓶、物料搬检验煤的设备运、塑料*以及汽车行业等。*声波传感器可用于流程监控以*产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。

使用*声波传感器技术*踩错踏板

日产汽车开发出了*在要踩刹车时误踩成油门而使车辆加速的功能，使用摄像头和*声波传感器推断出“要在停车场上停车”的情况时，如果驾驶员踩成了油门就会强制刹车。该技术预定在2～3年内实用化。*声波传感器技术就是为了*在停车场停车时踩错刹车和油门造成事故而开发的。

该技术是使用在车辆前后左右各配备一个的四个摄像头和前保险杠、后保险杠各配备四个共八个*声波传感器实现的。4个摄像头沿用显示车辆周围俯瞰影像的“环视显示器”的摄像头。利用摄像头识别出白线等以推断汽车位于停车场，利用*声波传感器测量出汽车与周围障碍物之间的距离来确定刹车时机。

*因踩错刹车和油门而造成事故分两步实施。当驾驶员在停车场想停车时，如果踩成了油门，则*先将车速减至蠕滑速度，用仪表板的图标来提示危险，并响起警报声。如果驾驶员仍继续踩油门而即将撞上墙壁等物体时，则强制刹车。刹车时机为*汽车在与障碍物相距20～30cm左右时可以停下来。^[3]

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，*过20KHZ称为*声波，低于20HZ的称为次声波。常用的*声波频率为几十KHZ-几十MHZ。

*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）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。*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*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*声波的特性，可做成各种*声传感器，配上不同的电路，制成各种*声测量仪器及装置，并在通迅，*家电等各方面得到广泛应用。

*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*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*声波，同时它接收到*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*声波传感器既作发送，也能作接收。这里*介绍小型*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23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥 控、*盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式*声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有*水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。*声波应用有三种基本类型，*型用于遥控器，*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。

由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成*能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的*进行检测.而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片(双晶振子 )施加40KHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压*性伸长与缩短，于是发送40KHz频率的*声波，其*声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制)，并传给波接收器。接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+ ”*，另一面为“-”*的40KHz正弦电压。因该高频电压幅值较小，故*须进行放大。 *声波传感器使得驾驶员可以*地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出*。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉*，其*表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会减少，并可以游刃有余地采取*要的动作。

*声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测 。*声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。

检测模式

*声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。

还有部分*声波传感器采用对射式的检测模式。一套对射式*声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生开关信号。

检测范围

*声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长， 频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6º声波发射角，因而更适合*检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12º至15º的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，我们还有外置探头型的*声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。

调节

几乎*的*声波传感器*对开关输出的近点和远点或是测量范围进行调节。在设定范围外的物体可以被检测到，但是不会触发输出状态的改变。一些传感器具有不同的调节参数，如传感器的响应时间、回波损失性能，以及传感器与泵设备连接使用时对工作方向的设定调节等。

重复精度

波长等因素会影响*声波传感器的精度，其中*主要的影响因素是随温度 变化的声波速度，因而许多*声波传感器具有温度补偿的特性。该特性能使模拟量输出型的*声波传感器在一个宽温度范围内获得*0.6mm的重复精度。

输出功能

*系列的*声波传感器都有开关量输出型产品。一些产品还有2路开关量输出（如*小和*大液位控制）。大多数产品系列*提供具有模拟量电流或是模拟电压输出的产品。

噪声抑制

金属敲击声、轰鸣声等噪声不会影响*声波传感器的参数赋值，这主要是由于频率范围的优选和已获*的噪声抑制电路。

同步功能

*声波传感器的同步功能可*干扰。他们通过将各自的同步线进 行简单的连接来实现同步功能。它们同时发射声波脉冲，象单个传感器一样工作，同时具有扩展的检测角度。

交替工作

*声波传感器 *长扫描型

以交替方式工作的*声波传感器彼此间是相互*的，不会相互影响。以交替方式工作的传感器越多，响应的开关频率越低。

检测条件

*声波传感器*适合在“空气”这种介质中工作。这种传感器也能在其它气体介质中工作，但需要进行灵敏度的调节。

盲区

直接反射式*声波传感器不能*检测位于*声波换能器前段的部分物体。由此，*声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区。传感器在这个区域内*须保持不被阻挡。

温湿度

空气温度与湿度会影响声波的行程时间。空气温度每上升20ºC，检测 距离至多增加3.5%。在相对干燥的空气条件下，湿度的增加将导致声速*多增加2%。

空气压力

常规情况下大气变化±5%（选一固定参考点）将导致检测范围变化±0.6%。大多数情况下，传感器在5Bar压力下使用没有问题。

气流

气流的变化将会影响声速。然而由*高至10m/s的气流速度造成的影响是微不足道的。在产生空气涡流比较普遍的条件下，例如对于灼热的金属而言，建议不要采用*声波传感器进行检测，因为对失真变形的声波的回声进行计算是*困难的。

标准检测物

采用正方形声反射板用于额定开关距离sn的标定。

1mm的厚度

垂直性：与声束轴线垂直。

*护等级

外壳可*固体颗粒和*水。

IP65：**尘；*水柱的侵入。

IP67：**尘；在恒温下浸入水下1m深处并放置30分钟，能够**护。

IP69K：基于EN60529的*合DIN40050-9

泵功能

可施行双位置控制，例如一个液位控制系统的泵入泵出功能。当一个被测物远离传感器到达检测范围的远点时，输出动作。当被测物靠近传感器到达检测范围设定的近点时，输出相反的动作。

由发送传感器 ( 或称波发送器 ) 、接收传感器 ( 或称波接收器 ) 、控制部 分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成*能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的*进行检测 . 而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。*声波传感器电源 ( 或称信号源 ) 可用 DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 % 。

*声波传感器用万用表直接测试是没有什么反映的。要想测试*声波传感器的好坏可以搭一个音频振荡电路，当C1为390OμF时，在反相器⑧脚与⑩脚间可产生一个1.9kHz左右的音频信号。把要检测的*声波传感器(发射和接收)接在⑧脚与⑩脚之间;如果传感器能发出音频声音，基本就可以确定比*声波传感器是好的。

注：C1=3900μF时，为1.9kHZ左右；C1=0.O1μF时，约0.76kHZ。

*声波测量液位的基本原理是：由*声探头发出的*声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其*声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。*声波测量方法有很多其它方法*的优点：（1）*机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、*性高、寿命长；（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

系统采用的*声波传感器的工作频率为40kHz左右。由发射传感器发出*声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出*声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。考虑到环境温度对*声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以*测量精度。计算公式为：

V=331.5+0.607T （1）

式中：V为*声波在空气中传播速度；T为环境温度。

S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）

式中：S为被测距离；t为发射*声脉冲与接收其回波的时间差；t1为*声回波接收时刻；t0为*声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。由于本系统的MCU选用了具有SOC特点的混合信号处理器，其内部集成了温度传感器，因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。

*声波传感器与声纳传感器的区别

声纳传感器和*声波传感器是经常听说的两种探测装置，很多人认为这两种是一种传感器，这两种传感器之间有什么区别呢？
声纳传感器直接探测和识别水中的物体和水底的轮廓，声纳传感器发出一个声波信号，当遇到物体后会反射回来，依据反射时间及波型去计算它的距离及位置*声波传感器是利用*声波的特性研制而成的传感器。*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，*是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。声纳传感器主要用于探测生物，比如用于探测水底有哪些生物，生物体形有多大等。经常问你听说的用于探测水怪的装置就是声纳传感器。
*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。*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*声波检测广泛应用在工业、国*、生物*等方面。*声波传感器是利用*声波的特性研制而成的传感器。在工业方面，*声波的典型应用是对金属的*探伤和*声波测厚两种。*声波传感器在*上的应用主要是诊断*，它已经成为了**中*的诊断方法。^[4]

^[5]1：为**性及长使用寿命，请勿在户外或高于额定温度的地方使用传感器。

2：由于*声波传感器以空气作为传输介质，因此局部温度不同时，分界处的反射和折射可能会导致误动作，风吹时检出距离也会发生变化。因此，不应在强制通风机之类的设备旁使用传感器。

3：喷气嘴喷出的喷气有多种频率，因此会影响传感器且不应在传感器附近使用。

4：传感器表面的水滴缩短了检出距离。

5：细粉末和棉纱之类的材料在吸收声音时无法被检出（反射型传感器）。

6：不能在真空区或*爆区使用传感器。

7：请勿在有蒸汽的区域使用传感器；此区域的大气不均匀。将会产生温度梯度，从而导致测量错误。

*声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的*声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。

反射问题

如果被探测物体*在合适的角度，那*声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。

其中可能会出现几种误差：

三角误差

当被测物体与传感器成*角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差。

镜面反射

这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时*声波传感器会忽视这个物体的存在。

多次反射

这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次*才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。

这些问题可以通过使用多个按照*角度排列的*声波圈来解决。通过探测多个*声波的返回值，用来筛选出正确的读数。

噪音

虽然多数*声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于*能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生*的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人*声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。

这个问题可以通过对发射的*声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以*的避免由于环境噪音所引起的误读。

交叉问题

交叉问题是当多个*声波传感器按照*角度被安装在机器人上的时候所引起的。*声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和Y获得，这时Z和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。

解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个*声波传感器只听自己的声音。