超声波传感器技术-物联网与传感器技术

1.超声波传感器

超声波传感器是一种用途十分广泛的传感器。如CT将超声波的发射器与接收器成对组合，对物体进行扫描，将各点的超声波吸收用傅里叶变换形成物体断面吸收分布图，广泛用于医学或非破坏检查。超声波反射、折射的应用在传播介质内若存在固有音响阻抗不同的两个介质的界面，则超声波在这里将产生反射、折射，介质性质决定了反射波、折射波的介质形式（纵波、横波、相位）。将超声波用超声波聚焦透镜会聚，射到与之接近的物体表面，记录反射强度并扫描，即可得到分辨力达几微米的超声波显微镜。测出超声波的发射与反射两个脉冲间的所需时间，就可测出反射体的距离。超声波的一个优点是发射角度较大，因而可构成超声波开关。超声波测速将超声波射到移动的物体上，可按多普勒原理测出物体运动的速度。在测流体流速的情况下，沿流体正向与逆向传播的超声波存在速度之差，将等距离的传输时间的差值求出即可得到流体的流速。利用待测的连续介质（粉粒体、液体）与振子接触，改变振子阻抗的方法，可构成浸入式液体黏度计、液面计、面粉位置计等，这也是物联网中最常用的一些传感器。

超声波传感器是物联网中最常用的一种传感器。超声波传感器选用中要结合工作环境对象及特点进行综合考虑，注意被测量特点、变量、模式等因素。表6-1列出了超声波传感器的测定量、变量、模式及应用例。

表6-1 超声波传感器的测定量、变量、模式及应用例

超声波接收波的强弱受多种因素影响，一方面随着距离的增加接收波衰减较大；另一方面在近距离，特别是在带有观测井的堰槽的场合，声波在观测井内会形成多次反射，造成某些点信号叠加而使接收波增强，另外一些点信号抵消而使接收波减弱。如果接收、发射电路使用固定的增益，就会得到大小不一的接收波，在波形处理上，尤其在触发时刻的选取上，将造成很大影响，直接影响仪表的测量准确度。接收、发射电路使用了自动增益，使处理后的信号大小保持恒定，有效地提高了仪表对液位的测量准确度。此外，由于微处理机的应用，可通过对声波的振荡器的控制设立接收波“窗口”，自动跟踪接收波的位置，将一切在接收波到达前的干扰脉冲滤掉，并通过与之相配的算法软件，补偿明渠液面波动及液面悬浮物的影响。

2.超声波测距原理

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，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，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即s=340t/2。

3.线阵列超声图像传感器

线阵列超声图像传感器主要技术是特征匹配传感技术。许多小压电晶片（称为阵元）按规定方法排列起来所组成的探头称为阵列探头，如线阵列探头、凸阵列探头和面阵列探头等。由不同探头形成不同的传感器。其结构是将线阵列探头各阵元以直线状排列起来，这种结构的探头称为线阵列探头。其结构主要由振子（压电晶片、阻尼块）匹配层、声透镜组成。根据需要使用不同数目的阵元，有时一个阵元还要求切割成若干个微晶元，因此一个探头的微晶元可能多达200多个，阵元前面有一两层匹配层和声透镜，探头工作时，一般由若干个阵元组成一组发射一条声束，通过电子开关切换使此声束移动，改变各阵元的超声波发射时间，可以自由地改变聚焦距离和扫描方向，因而能在更大范围和更多方向进行检测，提高检测能力，减少缺陷的漏检，同时利用图像处理装置能够进行图像显示。

超声弧阵列成像传感器：各阵元以圆弧状排列的探头称为弧阵列探头或称为凸阵列探头。工作原理类似线阵列探头，其特点是探测范围比线阵列探头大。这种探头在人体超声诊断中用得很普遍，在工业探伤方面还用得不多。(www.xing528.com)

超声面阵列成像传感器：各阵元以二维方式排列的探头称为面阵列探头，或称为矩阵探头，其概念示意图如图6-27所示。探头可以得到许多断层图像数据，利用计算机重建图像可以得到三维图像。通常面阵探头的一维为线阵列，另一维为线阵列或弧阵列，可在两个方向改变孔径和扫描。利用电子开关切换各阵元，并改变各通道的延迟量，可在纵横两个方向进行扫描，得到垂直的或倾斜的声束，并可进行聚焦得到很细的声束。

图6-27 线阵超声探头结构图

4.超声成像传感器应用

为了获得很高的分辨力，一般来说，相邻阵元间隔要求在所用超声波的1/2波长以下，如在水中使用5MHz的超声波，则要求在0.15mm以下。此外，如何去除阵元的无用振动、提高超声波射入工件的效率、减小阵元间的串扰、保证各阵元灵敏度的一致性，以及如何进行声匹配层和各阵元引线的精密加工等，都是面阵列探头的重要问题。其他探头根据不同探测方法和探测对象的要求，人们制作了许多专用探头，例如，用于大厚度焊缝探伤的串列式或二维探头（排列方式见图6-28）、用于钢板探伤的轮胎式探头、用于探测IC芯片的高频探头、用于电磁超声探伤的电磁超声探头、用于激光超声探伤的激光超声探头、用于混凝土探伤的低频探头、用于高温探伤的高温探头等。一种超声成像传感器实物如图6-29所示。

图6-28 二维方式排列概念示意图

图6-29 一种超声成像传感器实物