超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波傳感器具有成本低、安裝維護方便、體積小、可實現非接觸測量，同時不易受電磁、煙霧、光線、被測對象顏色等影響，能實現在黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾和有毒等環境下工作。因此在 工業領域得到廣泛的應用。本文結合超聲波傳感器的工作原理， 對超聲波在測距、自動焊縫跟蹤、零件無損探傷、流量測量、液體 濃度檢測的應用現狀作了綜述。

１ 超聲波傳感器的工作原理

       超聲波定位技術是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御 天敵及捕獲獵物的生存手段，這些生物體可發射人們聽不到的 超聲波（20ｋHz以上的機械波），借助空氣介質傳播，根據獵物或 障礙物反射回波的時間間隔及強弱，判斷獵物的性質或障礙物 的位置［１］。人們根據仿生學原理，開發出了超聲波測距和無損探 傷等一系列實用的超聲波傳感器。

       超聲波傳感器是一種可逆換能器，利用晶體的壓電效應和電致伸縮效應，將機械能與電能相互轉換，實現對各種參量的測量。超聲波發生器可分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲 波；一類是用機械方式產生超聲波。電氣類包括壓電型、磁致伸 縮型和電動型等；機械類包括加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它 們所產生的超聲波頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也有所不同。目前常用的是壓電式超聲波發生器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的，該傳感器有兩個壓電晶片和一個共振板，當其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時， 壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動產生超聲波。反之， 如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將迫使壓電晶片振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收 器。根據回波與發射波之間的時間差或是回波的強弱，超聲波傳 感器即可得到被測物距離或屬性。

２ 超聲波傳感器的應用 

２．１超聲波測距

超聲波測距的基本原理是超聲波發射傳感器發出聲波，聲波遇到被測物體返回至超聲波接收傳感器，根據聲波的傳輸時間ｔ，即可計算出被測距離：

式（１）中ｃ為聲波在介質中的傳播速度（ｍ／ｓ）。

      超聲波測距原理簡單、數據處理速度快、安裝維護方便和成本低等優點，在液位測量、機器人避障及精確測距定位等得到廣 泛的應用。李敏哲等［２］設計了基于無線傳輸的分布式超聲波液位測量系統，能同時對多個儲液罐液位進行測量，系統中采用了測溫電路對溫度進行補償，提高了測量精度。劉玉芹等［３］采用兩個超聲波傳感器檢測機器人行走過程中周圍障礙物信息，實現了移動機器人避障功能，但是只能獲取目標的距離信息，而不能準確得到目標的邊界信息。在室內多個已知位置安裝超聲波發射器，把接收器安裝在移動機器人上，并結 合一個擴展的卡曼濾波器，實現室內移動機器人精確定位。為了克服超聲波傳感器的檢測盲區，研制了基于超聲波傳感器與紅外傳感器的感測系統，采用紅外傳感器補償了超聲波傳感器的檢測盲區，提高了 感測范圍，在移動機器人避障及導航中得到了良好的應用。我們設計了一種以單片機為主控芯片，ＣＰＬＤ負責超聲波的產生、 發送和接收以及對超聲波的傳播時間進行高速計數，并采用數字溫度傳感器進行溫度補償的超聲波測距系統，減小了超聲波計時誤差和聲速誤差，實現了高精度的距離測量。

２.２超聲波自動焊縫跟蹤

      由于超聲波傳感器具有不受弧光和強電磁干擾、對檢測物 體表面起伏變化敏感、性價比高、可穿透煙塵等優點，近年來在 焊縫跟蹤中得到了一定的應用。我們設計一種基于超聲 波傳感器的波紋板折線焊縫跟蹤系統，用超聲波傳感器跟蹤波 紋板的一個波紋周期，對輸出信號進行快速傅立葉變換和巴特 沃茲濾波后，求出波紋板槽面與斜邊交接處的折彎位置，實現了 波紋板折線焊縫自動跟蹤。采用最小二乘法擬合對超聲波傳感器進行標定，在直角焊縫自動焊接跟蹤中得到較好 的效果。張晨曙等［９－１０］對超聲波在焊縫跟蹤進行了綜述，提出了 在焊接環境中提高超聲波檢測精度的措施，如信息融合技術和 信息處理技術。

２.３超聲波流量測量

超聲波流量檢測的基本原理，是基于超聲波在流體中傳播 的速度等于流體的流速與超聲波速度的矢量和。其具體實現方 法有傳播速度差法（包括差頻法、時差法和相位差）、波束偏移 法、多普勒法、相關法、空間濾波法以及噪聲法等［１１］。我們研制了基于超聲波時差法的流量計，采用高精度的 ＴＤＣ－ＧＰ２ 時間數字轉換器，流量測量精度達到 ５％。我們設計了一 種基于互相關理論的超聲波氣體流量測量系統，采用ＤＳＰ為控制器，通過采集上、下游流動信號做互相關運算，計算出互相關函數峰值對應的渡越時間，間接測量出流量 ， 在流速大于0.16ｍ／ｓ時測量誤差小于3％。

２.４超聲波液體濃度檢測

超聲波液體濃度檢測原理是基于超聲波在液體中傳播速度 與液體濃度和溫度之間存在著函數關系。根據聲學原理，液體中 超聲波傳播的速度是液體彈性模量和密度的函數，超聲波的速 度隨液體彈性模量或密度而變，同時也是溶液質量濃度和溫度 的函數。因此只要在不同溫度下測得超聲波的傳導速度，即可求 出液體的質量濃度。黃佳等［１４－１５］設計了一種基于超聲波傳感器 的酵母濃度檢測系統，研究了碑酒生產中酵母細胞濃度與超聲 波傳播時間以及溫度之間的對應關系，并對測量中產生影響的 各個因素分別加以討論并提出解決方案，實現了啤酒生產中酵 母濃度的在線測量。

２.５超聲波零件無損探傷

超聲波探傷既可以檢測材料表面的缺陷，又可以檢測內部 幾米深的缺陷，比Ｘ射線探傷靈敏度高、周期短，對人體無害等 優點。其缺點是要求工件表面平滑，有經驗的檢測人員才能判別 出缺陷的類型，對缺陷沒有直觀性。因此超聲波探傷適合于厚度 較大的零件檢測。李凱峻［１６］提出了一種對高壓無縫鋼管超聲波 無損檢測方法，可以對直管進行自動連續和點動探傷檢測，并存 儲了各種鋼管探傷工藝和標準，實現了無縫鋼管的自動超聲波 無損探傷。我們設計了一種超聲蘭姆波無損探傷檢測系 統，對金屬薄板無損探傷獲得了較高的靈敏度。我們對無 損探傷中的快速計算技術進行了研究，為無損探傷技術的可靠 性、可靠性評價方法及影響因素提供了參考。

３ 超聲波傳感器的缺點及解決方法

１）測量盲區。超聲波的測量盲區由兩個因素造成：第一是超 聲波傳感器發射信號過后，換能器存在余振，如果發射信號后立 即打開接收電路，余振信號會引起誤判斷。一般在啟動發射信號 后，要延遲一段時間再打開接收電路，這段時間無法檢測超聲波 的傳播距離，因此會存在測量的盲區。超聲波的余振信號強弱跟 換能器的性能、發射信號的強弱有關。通過提高換能器的性能和 減小發射信號的功率可降低余振，減少盲區。第二是一體化探頭 的超聲波傳感器需要控制器通過切換電路控制發射和接收，切 換的時間間隔也會產生盲區�？梢圆捎酶�高主頻的控制器和更 快的切換電路來減少此類盲區。

除了提高控制器和傳感器的本身性能外，班寧利用紅外傳感器無盲區、測量精度高、方向性強，但受環境影響較大、 探測距離較近的特點，將超聲波傳感器與紅外線傳感器組合使 用，實現優勢互補，來克服超聲波傳感器測量盲區的問題。

２）超聲波傳播速度受環境變化影響。超聲波在介質中傳播的速度受到環境變化的影響（如溫度、壓力、濕度等），其中溫度 的影響最為明顯，一般溫度每升高 １℃，聲速增加約為 ０．６ｍ／ｓ， 式（２）、式（３）分別是在空氣和海水中時，超聲波傳播的速度與環 境參數之間的函數關系［１９］。

式中，Ｔ為環境溫度（單位為攝氏度℃），Ｓ為水鹽度（按千分比計算），Ｐ為海水靜壓力牗單位為Ｐａ牘。

為了提高超聲波的測量精度，必須對聲速進行校正。聲速校 正的主要方法有：溫度補償法和設置校正具法。溫度補償法采用 溫度傳感器檢測環境溫度，再計算出對應的聲速。設置校正具法是在測距過程中采用雙通道測量：一個通道通過對已知距離的 預設參照物的測量，確定當前環境下的聲波速度；另一通道則以 測得的聲速為準，按正常方式測距，避免了環境變化對聲速的影響［２０］。莫德舉等［２１］采用設置校正具法對聲速進行補償，對液體液 位進行測量，實現了比溫度補償法更高精度的測量。

３）障礙物體積不能太小。根據超聲波傳播理論，當障礙物的 尺寸小于超聲波長的 １／２時，超聲波將發生繞射；當障礙物尺寸 大于波長的１／２時，才能反射。如采用的超聲波傳感器發射頻率為 ４０ｋＨｚ，相應半波長為 0.025ｍｍ，因此在理論上最小可以測 得邊長為0.025ｍｍ的障礙物�？商岣叱�聲波的發射頻率來實現 更小體積障礙物的測距。

４）測量距離有限。超聲波回波信號幅值隨傳播距離增大呈指 數規律衰減，使得接收器收到的回波信號隨著測量距離增大而大幅減小，造成測量距離有限。而增大發射器發射功率會使換能器 余振增大，加大了測量盲區。在電路中串上自動增益調節環節 （ＡＧＶ），使電路放大倍數隨著測量距離的增大而按相應規律增加，可減少對測量盲區的影響。但受到超聲波發射功率和損耗的限制，目前國內超聲波傳感器的最大測量距離一般不超過１５ｍ。

４ 超聲波傳感器的發展趨勢

超聲波傳感器作為典型的非接觸檢測技術，同時具有體積小、 成本低，不受電磁、光線、煙霧等干擾的優點，具有廣闊的發展前景。綜合分析了超聲波傳感器在測距等方面的應用現狀、存在的問 題及解決方法，對超聲波傳感器的發展趨勢做以下幾點展望：

１）集成化、高精度，未來的超聲波傳感器將內置溫度補償電 路，當外界環境溫度變化時，由溫度補償電路自動進行校對，提高測量的精度。

２）提高抗干擾性，新型的超聲波傳感器感應頭應具有更強 的自我保護能力，可以抵御物質損害，適應比較臟亂的環境。使得超聲波傳感器能適應惡劣環境測量。

３）智能化、數字化，新型超聲波傳感器應易于調整、適應不 同的測量距離，輸出的信號有多種類型，使得應用更加靈活。

４）多種傳感器融合技術，隨著工業現場對傳感器的檢測精 度和可靠性要求越來越高，多種傳感器（如激光測距、紅外線等） 與超聲波傳感器冗余結合使用，充分發揮各自的優勢，提高傳感 器的總體性能，也將成為超聲波傳感器的一個發展趨勢。

參考文獻

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