超声波传感器的原理与应用

我们生活中听到的声音是由物体振动产生的，其频率范围一般在20赫兹到20千赫兹之间。频率超过20千赫兹的声波称为超声波，而频率低于20赫兹的则称为次声波。工业中常用的超声波频率范围大致在几十千赫兹到几十兆赫兹之间。

超声波本质上是一种在弹性介质中传播的机械振荡，存在横波和纵波两种形式。在工业应用中主要采用纵向振荡形式。超声波可以在气体、液体及固体中传播，但在不同介质中的传播速度各不相同。此外超声波也会发生折射和反射现象，并且在传播过程中存在能量衰减。在空气中传播的超声波频率通常较低，一般为几十千赫兹，而在固体和液体中则可以采用较高的频率。超声波在空气中衰减较快，但在液体及固体中传播时衰减较小，可以传播较远的距离。利用超声波的这些特性，可以制作出各种超声波传感器，配合不同的电子电路，制成多种超声波测量仪器及装置，广泛应用于通信、医疗、家电等各个领域。

超声波传感器的主要材料包括压电晶体和镍铁铝合金两类，分别对应电致伸缩与磁致伸缩效应。常用的电致伸缩材料有锆钛酸铅等。由压电晶体构成的超声波传感器是一种可逆传感器，它既可以将电能转换为机械振荡从而产生超声波，也可以在接收到超声波时将其转换为电能。因此它可以分别作为发送器或接收器使用，有的超声波传感器则兼具发送和接收两种功能。小型超声波传感器适用于在空气中传播，工作频率一般为23至25千赫兹及40至45千赫兹，常用于测距、遥控、防盗等用途。此外还有密封式超声波传感器，其特点是具有防水性能但不能浸入水中，可用作料位检测及接近开关，综合性能较为优越。

超声波的应用主要有三种基本类型。透射型常用于遥控器、防盗报警器、自动门及接近开关等场合。分离式反射型主要应用于测距、液位或料位测量。反射型则适用于材料探伤、厚度检测等工业检测领域。

在液位指示及控制方面，由于超声波在空气中传播会产生一定的衰减，从发送到液面再反射回来的信号强度与液位高低密切相关。液面位置越高，反射信号越强，液面越低则信号越弱。接收到的信号经放大和整流后转换成直流电压，当该电压超过设定阈值时便有电流流过指示电路，电流表显示的数值大小与液位高低相对应。当液位低于设定值时比较器输出低电平，当液位上升到规定位置时比较器翻转输出高电平，驱动继电器吸合，通过电磁阀关闭输液开关，实现高位控制功能。

在遥控开关方面，超声波遥控开关可用于控制家用电器及照明灯具。采用小型超声波传感器，工作频率为40千赫兹，遥控距离约为十米。遥控器的发送部分通常由时基电路组成振荡器，调整电位器使振荡频率为40千赫兹。按下按钮时传感器即发出超声波。接收电路的电源由220伏交流电经降压、整流、滤波及稳压后获得直流工作电压。信号由超声波接收器接收后经放大处理，触发由晶体管组成的双稳态电路。输出的触发信号使双向可控硅导通，从而接通负载。如需断开负载，则再次按下发送按钮即可。