1、1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 超声波传感技术 摘要： 现代信息产业的三大支柱包括信息采集 传感技术；信息传递 通信技术；信号处理 计算机技术。它们分别构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器既是现代信息系统的源头，又是信息社会赖以生存和发展的物质技术基础。传感器技术是科学仪器、自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术，是现金国家优先发展的重要基础性技术。 超声波传感器是一种波式新型传感器，利用超声波的各种特性，做成各种超声波传感器，再配上不同的测量电路，可制成各种超声波仪器及装置，广泛的 应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声探测、超声清洗、超声焊接、超声检
2、测、超声医疗等方面。 本文着眼于超声波传感技术原理及应用，根据理论结合实际，在论述超声波传感技术的基础上，充分结合超声波传感器的实际应用，以“常用压电式超声波传感器的工作原理”为例，详细阐述了超声波传感技术在医学、工业、军事等方面的应用，同时，对超声波传感器向着多维化、多功能化、微型化、集成化、智能化、网络化发展趋势作出预测。 关键词： 传感器；超声波； 1 引言 传感器是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器 件或装置。随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学技术、经济发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域中的作用也日
3、益显著。超声波传感技术便是其中较为重要的一种，它广泛地应用于工农业、医学、军事科研和我们日常生活中，而且将在未来有很大的发展空间。 2 超声波传感器工作原理 超声波传感器包括超声波发生器和超声波接收器两部分，习惯上分称为超声波换能器或超声波探头 1。 超声波传感器按其工作原理分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中主要才用压电式 。 主要以压电式 超声波传感器为代表说明其工作原理 2。 压电式超声波传感器一般采用双压电陶瓷芯片制成，需用的压电材料较少，价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。它是利用压电材料的正、逆压电效应来工作的。压电材料受力产生电荷，2 称为正压电效应；反之，对压电材料
4、施加电场，压电材料就会产生机械变形和机械应力，这种现象称为逆压电效应 3。 当外加电场是交变信号时，可在压电材料中激发出各种形式的弹性波。当交变电场的频率与压电材料的机械谐振频率一致时，压电材料便处于机械谐振状态而成为压电振子。在压电陶瓷片加有大小和方向不断变化的交流 电压时，据压电效应，就会使压电陶瓷芯片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是于外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷芯片上加有频率为 f0 的电压脉冲，芯片就会产生同频率的机械振动。这种振动在介质中的传播，便会产生超声波。反之，如在压电陶瓷芯片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电陶瓷芯片产生频率
5、与超声波相同的电信号 4。 3 超声波 传感器的应用 超声波传感器是利用超声波特性研制而成的传感器。超声波具有频率高、绕射现象小、方向性好等特点，对液体、固体的穿透本领很大，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形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物等方面 5。 3 1 医学应用 超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要之一。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可或缺的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检查者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等
6、，因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，如利用超声波的反 射原理，当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，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，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低 6。 3 2 工业应用 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号 7。 当超声波发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称
7、为 透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等；超声发射器与接收器置于同侧的则属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或料位、金属探伤以及测厚等。超声波探伤利用声波可探查金属内部的缺陷，这是一种非破坏性检测，即无损检测 8。 3 利用此方法可对高速运动的板材、棒料进行检测；也可制成全自动检测系统，但不能发出警告信号，还可在有缺陷区域喷上有色涂料，并根据缺陷的数量或严重程度作出“通过”或“拒收”的决定。当材料内有缺陷时，材料内的不连续性成为超声波传输的障碍，超声波通过这种障碍时只能透射一部分声能。只 要十分细小的细裂纹，在无损检测中即可构成超声波不能透过的阻挡层。检测时，把超声波发
8、射探头置于试件的一侧，而把接收探头置于另一侧，并保证探头和试件有良好的声耦合，以及两个探头置于一条直线上，这样监测接收到的超声波强度就可获得材料内部缺陷的信息。在超声波束的通道中出现任何缺陷都会使接收信号下降，甚至完全消失，这就表示试件中有缺陷存在 9。 3 3 军事应用 在军事方面，超声波传感技术也有相当重要的作用，比如声纳。声纳是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通信的系统。在地上可用雷达探测千米以外的物体，这是 运用电磁波遇到物体将被反射回来的原理而实现的，但是电磁波在水中传播时，其能量将很快被水吸收，因而不能传播较远的距离。声纳通常是在超声波段工作的，因为超声波在水中传播时损耗
9、小，且波长较短，易聚成细束 10。 总之，超声波传感器在实际应用中非常广泛。 4 超声波 传感器技术 的发展趋势 一方面，传感器技术在科学研究、工农业生产、日常生活等许多方面发挥着越来越重要的作用；另一方面，人们的应用需求对传感器技术又提出了越来越高的要求，这推动着传感器技术不断地向前发展。普通传感器发展较早，是一类应用传统技术的传感器，随着 计算机、嵌入式系统、网络通信和微加工，超声波等技术的发展，出现了许多新型的传感器，如传感器与微处理器的结合，产生了具有一定数据处理能力和自检、自校、自补偿等功能的智能传感器；模糊数学原理在传感器中的应用，产生了输出量为非数值符号的模糊传感器；传感器与 M
10、EMS 技术的结合，产生了具有微小尺寸的微型传感器；网络接口芯片、嵌入式通信协议和传感器的结合，产生了能够方便接入现场总线测控网络或组建传感网络的网络传感器；传感器与超声波相结合，产生了频率高，绕射现象小、方向性好，对液体、固体的穿透本领大，尤其是在不透明的固体 中，可穿透几十米的深度的超声波传感器 11。 这里所研究的超声波传感器也呈现出六大发展趋势：一是提高与改善传感器的技术性能；二是开展基础研究，寻找新原理、新材料、新工艺或新功能；三是传感器的集成化；四是传感器的智能化；五是传感器的网络化；六是传感器的微型化 12。 5 结论 4 超声波传感器在需求市场中呈现出快速增长的态势，经过上述文
11、献的阐述和研究，基于“压电式效应原理 ” 由此进一步探索超声波传感技术在新领域的应用及发展。在日趋成熟的技术基础上予以延伸和提高。 参考文献 1 杨刚 . 电子系统设计与实践 M北京：电子工业出版社， 2003,8. 2 徐科军 . 传感器与检测技术 M. 北京：电子工业出版社， 2004, 5. 3 苏长赞，邹殿 . 红外线与超声波遥控 M. 北京：人民邮电， 2001,2. 4 李广弟，朱月秀，王秀山 . 单片机基础（修订本） M. 北京：北京航空航天大学出版社， 2001,2. 5 付家才 . 传感器与检测技术原理及实践 M. 北京：中国电力出版社， 2008,5. 6 赵燕 . 传感器
12、原理及应用 M. 北京：北京大学出版社， 2010,2. 7 李希文，赵建 ，李智奇，白小平 . 传感器与信号调理技术 M. 陕西： 西安电子科技大学出版社，2008,12. 8 Rosen P A, Hensley S, Joughin I R, et al. Synthetic Aperture Radar Interfero -mertyJ. Proc. of the IEEE, 2008,6(1 3):1 2. 9 李科杰，宋萍 感测技术 M. 北京：机械工业出版社， 2007,6. 10 杨逢春 ,王积勤 .超宽带雷达测量基础 M. 长沙：国防科学技术大学出版 社， 2008,3. 11 王化祥，张淑英 传感器原理及应用 M.天津： 天津大学出版社 , 2007,2. 12 Yadin E.A Performance Evaluation Mode for a Two PortInterfermometer SAR-MTIJ.Proc.1996 IEEE National Radar Conference, Ann Abor, Michigan, 1996,5(1316):261 266.
