探究超聲波傳感器及其應(yīng)用

王薇

【摘要】 超聲波技術(shù)在國(guó)內(nèi)外具有廣泛應(yīng)用，這一技術(shù)可對(duì)聲波在物種中的傳播規(guī)律進(jìn)行分析，它與現(xiàn)代自然科學(xué)領(lǐng)域中的聲學(xué)以及物質(zhì)同基本粒子相互作用技術(shù)和電磁技術(shù)共同組成了探索物質(zhì)的核心技術(shù)體系。當(dāng)前這一技術(shù)已在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域以及工業(yè)加工生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)領(lǐng)域、動(dòng)力工程領(lǐng)域等綜合性技術(shù)領(lǐng)域中得到了重點(diǎn)應(yīng)用與實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】 超聲波 傳感器 應(yīng)用

超聲波是一種彈性波，它具有X射線以及光波和磁波等諸多波線所不具有的功能特點(diǎn)，正是基于超聲波的應(yīng)用靈活性與技術(shù)要求性高等特點(diǎn)，人們將其制成超聲波傳感器進(jìn)行工業(yè)實(shí)踐與應(yīng)用。

一、超聲波傳感器概況

1.1超聲波及其原理

物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)的傳播形式就是聲波，而超聲波主要是指聲波頻率在20000Hz以上的聲波形式。由于這種聲波每秒鐘的振動(dòng)頻率較高，因此大大超出了人耳所能承受的聽(tīng)覺(jué)范圍。超聲波按照其在機(jī)械振蕩過(guò)程中的不同表現(xiàn)形式，可將其分為縱向與橫向兩種振蕩波[1]。而在我國(guó)現(xiàn)階段的工業(yè)實(shí)踐中，主要應(yīng)用的是縱向振蕩波，與可聽(tīng)聲波相比，超聲波具有獨(dú)特的傳播特征，其衍射能力較強(qiáng)，而且在均勻的傳播介質(zhì)中可以進(jìn)行直線傳播。一般情況下，在同等強(qiáng)度條件下，聲波的頻率與功率具有正相關(guān)性，聲波頻率越大，其傳波的功率就越大。因?yàn)槌暡ㄒ纫话懵暡l率更大，所以其在運(yùn)行傳播時(shí)的功率也較大。由于超聲波具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在不同環(huán)境下得到了廣泛應(yīng)用與實(shí)踐。

1.2超聲波傳感器的特點(diǎn)

超聲波傳感器是利用超聲波的上述優(yōu)點(diǎn)研制而成的一種數(shù)字傳感器，以超聲技術(shù)為核心、超聲傳感裝置為載體，進(jìn)行超聲波傳輸與接收。通常情況下，超聲波傳感器又稱為超聲換能器及超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片構(gòu)成，其不但可以接收超聲波，而且可以發(fā)射超聲波。因此在超聲探頭中，核心運(yùn)作組件就是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。這種壓電晶片通過(guò)具有磁致伸縮作用的鎳鐵鋁合金材料與具有電致伸縮作用的壓電晶片材料制成。采用壓電晶體材料構(gòu)成的超聲波傳感器是具有可逆功能的一種數(shù)字化傳感器，在其運(yùn)行過(guò)程中可將機(jī)械設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而在不同能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生超聲波。與此同時(shí)，超聲波傳感器可接收超聲波，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[2]。因此，按照超聲波傳感器的實(shí)際工作運(yùn)行原理，可將其分為超聲波接收器與超聲波傳輸器。

二、超聲波傳感器的具體應(yīng)用分析

首先，超聲波傳感器可在遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中得到運(yùn)用。通過(guò)上述分析可知，超聲波傳感器主要由處理單元模塊及超聲換能單元模塊、輸出單元模塊所組成。在具體應(yīng)用過(guò)程中，處理單元模塊可對(duì)超聲換能器進(jìn)行電壓激勵(lì)，從而使經(jīng)過(guò)激勵(lì)后的電壓以脈沖形式發(fā)出電磁波。隨之，超聲換能器轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，處理單元模塊對(duì)接收到的超聲波脈沖進(jìn)行科學(xué)分析，以此判斷其接收到的信號(hào)是否是超聲波的回聲[3]。如果經(jīng)過(guò)核實(shí)，其所接收到的信號(hào)是超聲波回聲，則對(duì)超聲波的聲波傳輸時(shí)間進(jìn)行測(cè)量分析，按照行程測(cè)算結(jié)果，對(duì)反超聲波的行程時(shí)間進(jìn)行測(cè)算分析。在具體應(yīng)用過(guò)程中，可將超聲波傳感裝置安裝于適當(dāng)位置，并對(duì)被測(cè)物體變化方向發(fā)射的超聲波進(jìn)行分析，就可測(cè)量物體表面與超聲波傳感器之間的實(shí)際距離。

其次，超聲波傳感器可在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用。目前，超聲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用，主要體現(xiàn)在患者臨床疾病診斷方面。隨著這項(xiàng)技術(shù)不斷成熟，超聲波傳感器診斷已成為我國(guó)現(xiàn)階段醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一種重要診斷方式。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，利用超聲波進(jìn)行疾病診斷的主要優(yōu)點(diǎn)是受檢者無(wú)明顯的疾病痛苦，而且實(shí)踐操作過(guò)程非常簡(jiǎn)單、無(wú)損害、無(wú)創(chuàng)傷，診斷過(guò)程中有較為清晰的顯像，尤其是診斷精確率較高。

另外，超聲傳感器在測(cè)量液位中具有重要作用。在液位測(cè)量過(guò)程中，超聲波的使用原理是，通過(guò)超聲波探頭發(fā)出超聲脈沖信號(hào)，其在空氣中進(jìn)行廣泛傳播。當(dāng)傳播過(guò)程中遇到空氣與液面之后，就會(huì)被被測(cè)液體的液面反射回來(lái)，此時(shí)技術(shù)測(cè)量人員可根據(jù)反射回的信號(hào)測(cè)算時(shí)間與距離，從而得到液面實(shí)際高度。在液面測(cè)量中，超聲波傳感器測(cè)量技術(shù)屬于非接觸式測(cè)量，因此測(cè)量過(guò)程中電磁干擾小、不易受到刺激性液體腐蝕，且測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，設(shè)備使用壽命較長(zhǎng)。

除此之外，超聲波傳感器可在測(cè)距系統(tǒng)中得到應(yīng)用實(shí)踐。采用超聲波傳感器進(jìn)行距離測(cè)算，不但可以科學(xué)測(cè)量設(shè)備輸出脈沖的寬度，而且可以測(cè)量脈沖波的具體運(yùn)行時(shí)間。因此，測(cè)量精度較高，并可對(duì)測(cè)量結(jié)果與測(cè)量過(guò)程進(jìn)行修正。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，超聲波傳播方向性較好，因此能夠集中進(jìn)行傳播；同時(shí)，超聲波的傳播適應(yīng)能力較強(qiáng)，其能夠在不同傳播媒介中進(jìn)行科學(xué)傳播，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播；再者，超聲波與傳聲媒介的相互作用適中，而且在傳波過(guò)程中容易攜帶有關(guān)傳聲媒介狀態(tài)的信息。因此，基于上述應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，其在我國(guó)諸多技術(shù)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用與實(shí)踐。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李戈，孟祥杰，王曉華，王重秋.國(guó)內(nèi)超聲波測(cè)距研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].測(cè)繪科學(xué)，2011，36（04）：60-62.

[2]陳武.超聲波傳感器在智能汽車(chē)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].硅谷，2011，11（14）：127.

[3]韋興平，車(chē)暢，宋春華.超聲波傳感器應(yīng)用綜述[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27（11）：135-136+139.