超声波水位传感器设计论文(11)

2 超声波传感器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体

上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是

用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液

哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因

而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器[11]。

压电型超声波探头的工作原理：它是借助于压电晶体的谐振来工作的，即

陶瓷的压电效应。超声波探头有两块压电晶片和一块共振板，给它的两级加上

脉冲信号，当其频率等于晶片固有频率的时候，压电晶片就会产生共振，并带

动共振板一起振动，从而产生超声波。反之，如果电极间未加电压，则当共振

板接收到回波信号时。将压迫两片电晶片振动，从而将机械能转换为电能，此

时的探头就成了超声波接收器。若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图

b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负

电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长

度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方

向上伸长，在长度方向上缩短。

的知识。 图1.1 压电逆效应 在设计超声波测距系统之前，我们首先来了解一下有关超声波传感器方面

2.1超声波和超声波传感器的简介

2.1.1 超声波介绍

超声波是一种人耳无法听到的、频率一般超过 20kHz 的声音[12],它具有以

下特性：

（1） 波长与辐射:

传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度是 3×108ms,而声

波在空气中的传播速度很慢，约为 344ms。在这种比较低的传播速度下，波

长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的

分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。

（2） 反射：

要探测某个物体是否存在，超声波应能够在该物体上得到反射，由于金属、

木材、混凝土、橡胶和纸等可以反射近乎 100﹪的超声波，因此我们可以很容

易地探测到这些物体。由于布、棉花等可以吸收超声波，探测到他们将十分困

难。另外，由于不规则反射，通常可能很难探测到表面震动幅度很大的物体[13]。

（3）衰减：

传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是由于衍射现

象上的扩散损失，和介质吸收能量产生的吸收损失[14]。

2.1.2超声波传感器

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和

接收声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用

型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼

用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。

超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、

400kHz等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高[15]。

2.2超声波传感器探头介绍

超声波探头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，由换能芯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、能够定向传播等特点。超声波

对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透明的固体中，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，从而形成反射回波，碰到活

动物体能产生多普勒效应。

因此这项技术广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以这种检测手段，

必须发射超声波和接收超声波。能同时完成这种功能的装置就是超声波探头，

也称为超声换能器。对应用于工业的超声波探头而言，要求其精确度要达到

1mm，并且具有较强的超声波辐射。利用常规双压电芯片组件振动器的弯曲振

动，在频率高于 70kHz的情况下，是不可能达到此目的。所以，在高频率探测