産品概述
以超聲波作為檢測手段，必須産生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。
超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。
超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指标包括：
性能指标
1、工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
2、工作溫度。由于壓電材料的居裡點一般比較高，特别時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。
3、靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。
工作原理
人們能聽到聲音是由于物體振動産生的，它的頻率在20HZ-20KHZ範圍内，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。基本方法是基于超聲波的頻率要高于20KHz。對于不同頻率和波形．從材料返回的波形是不同的。當超聲波進入材料後将在材料中産生機械振動超聲波在被檢測材料中傳播時．材料的聲學特性和内部組織的變化對超聲波的傳播産生一定的影響通過對超聲波受影響程度和狀況的探讨來了解材料性能和結構的變化。
超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通迅，醫療家電等各方面得到廣泛應用。
超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電緻伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁緻伸縮）兩類。電緻伸縮的材料有锆钛酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器，它可以将電能轉變成機械振蕩而産生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，所以它可以分成發送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發送，也能作接收。這裡僅介紹小型超聲波傳感器，發送與接收略有差别，它适用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器适用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示發送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關用，它的性能較好。超聲波應用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。
由發送傳感器(或稱波發送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是将陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量并向空中幅射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波産生機械振動，将其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發送的超進行檢測.而實際使用中，用發送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對發送器發出的脈沖鍊頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。
工作程式
若對發送傳感器内諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發生應變，則産生一面為“+極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進行放大。
超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時發出警告。所設計的檢測系統可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測到了在盲區内障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報警檢測系統，駕駛員心理壓力就會減少，并可以遊刃有餘地采取必要的動作。
系統構成
由發送傳感器、控制部分與電源部分組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是将陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量并向空中幅射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波産生機械振動，将其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發送的超進行檢測.而實際使用中，用發送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對發送器發出的脈沖鍊頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。
工作模式
超聲波傳感器利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質均能檢測。其檢測性能幾乎不受任何環境條件的影響，包括煙塵環境和雨天。
檢測模式
超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過将發射的聲波部分地發射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。
還有部分超聲波傳感器采用對射式的檢測模式。一套對射式超聲波傳感器包括一個發射器和一個接收器，兩者之間持續保持“收聽”。位于接收器和發射器之間的被檢測物将會阻斷接收器接收發射的聲波，從而傳感器将産生開關信号。
檢測範圍和聲波發射角
超聲波傳感器的檢測範圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測範圍為300~500mm波長大于5mm的傳感器檢測範圍可達8m。一些傳感器具有較窄的6º聲波發射角，因而更适合精确檢測相對較小的物體。另一些聲波發射角在12º至15º的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應的電子線路位于常規傳感器外殼内。這種結構更适合檢測安裝空間有限的場合。
傳感器調節
幾乎所有的超聲波傳感器都能對開關輸出的近點和遠點或是測量範圍進行調節。在設定範圍外的物體可以被檢測到，但是不會觸發輸出狀态的改變。一些傳感器具有不同的調節參數，如傳感器的響應時間、回波損失性能，以及傳感器與泵設備連接使用時對工作方向的設定調節等。
重複精度
波長等因素會影響超聲波傳感器的精度，其中最主要的影響因素是随溫度變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器具有溫度補償的特性。該特性能使模拟量輸出型的超聲波傳感器在一個寬溫度範圍内獲得高達0.6mm的重複精度。
輸出功能
所有系列的超聲波傳感器都有開關量輸出型産品。一些産品還有2路開關量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數産品系列都能提供具有模拟量電流或是模拟電壓輸出的産品。
噪聲抑制
金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會影響超聲波傳感器的參數賦值，這主要是由于頻率範圍的優選和已獲專利的噪聲抑制電路。
同步功能
超聲波傳感器的同步功能可防幹擾。他們通過将各自的同步線進行簡單的連接來實現同步功能。它們同時發射聲波脈沖，象單個傳感器一樣工作，同時具有擴展的檢測角度。
傳感器交替性工作（多通道）
以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨立的，不會相互影響。以交替方式工作的傳感器越多，響應的開關頻率越低。
檢測條件
超聲波傳感器特别适合在“空氣”這種介質中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質中工作，但需要進行靈敏度的調節。
盲區
直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測位于超聲波換能器前段的部分物體。由此，超聲波換能器與檢測範圍起點之間的區域被稱為盲區。傳感器在這個區域内必須保持不被阻擋。
空氣溫度與濕度
空氣溫度與濕度會影響聲波的行程時間。空氣溫度每上升20ºC，檢測距離至多增加3.5%。在相對幹燥的空氣條件下，濕度的增加将導緻聲速最多增加2%。
空氣壓力
常規情況下大氣變化±5%（選一固定參考點）将導緻檢測範圍變化±0.6%。大多數情況下，傳感器在5Bar壓力下使用沒有問題。
氣流
氣流的變化将會影響聲速。然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在産生空氣渦流比較普遍的條件下，例如對于灼熱的金屬而言，建議不要采用超聲波傳感器進行檢測，因為對失真變形的聲波的回聲進行計算是非常困難的。
标準檢測物
采用正方形聲反射闆用于額定開關距離sn的标定。
1mm的厚度
垂直性：與聲束軸線垂直。
防護等級
外殼可防固體顆粒和防水。
IP65：完全防塵；防水柱的侵入。
IP67：完全防塵；在恒溫下浸入水下1m深處并放置30分鐘，能夠有效防護。
IP69K：基于EN60529的符合DIN40050-9
泵功能
可施行雙位置控制，例如一個液位控制系統的泵入泵出功能。當一個被測物遠離傳感器到達檢測範圍的遠點時，輸出動作。當被測物靠近傳感器到達檢測範圍設定的近點時，輸出相反的動作。
檢測好壞
超聲波傳感器用萬用表直接測試是沒有什麼反映的。要想測試超聲波傳感器的好壞可以搭一個音頻振蕩電路，當C1為390OμF時，在反相器⑧腳與⑩腳間可産生一個1.9kHz左右的音頻信号。把要檢測的超聲波傳感器(發射和接收)接在⑧腳與⑩腳之間;如果傳感器能發出音頻聲音，基本就可以确定比超聲波傳感器是好的。
注：C1=3900μF時，為1.9kHZ左右；C1=0.O1μF時，約0.76kHZ。
技術應用
超聲波傳感技術應用在生産實踐的不同方面，而醫學應用是其最主要的應用之一，以醫學為例子說明超聲波傳感技術的應用。超聲波在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準确率高等。因而推廣容易，受到醫務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫學原理，其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質界面是，在該界面就産生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。
在工業方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織内部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信号。在未來的應用中，超聲波将與信息技術、新材料技術結合起來，将出現更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。
遙控開關超聲波遙控開關可控制家用電器及照明燈。采用小型超聲波傳感器（Φ12-Φ16),工作頻率在40KHZ,遙控距離約10米.遙控器的發送，這是由555時基電路組成的振蕩器,調整10KΩ電位器，使振蕩頻率為40KHZ，傳感器接在③腳，接下按鈕時，發送出超聲波，接收電路。電源由220V經電容降壓、整流、濾波、穩壓後獲得12V工作電壓。由于是非隔離電源，要整個電路用塑料外殼封裝，以防觸電（在調試時也應注意）。信号由超聲波接收器接收，經Q1、Q2放大（L、C諧振槽路調諧在40KHZ）。放大後的信号去觸發由Q3、Q4組成的雙穩态電路，Q5及LED作為觸發隔離，并可發光顯示。由于雙穩态在開機時有随機性，故加一清零按鈕。Q5輸出的觸發信号使雙向可控矽導通，負載接通。要負載斷路，則要按一次發送鈕。
液位指示及控制器由于超聲波在空氣中有一定的衰減，則發送到液面及從液面反射回來的信号大小與液位有關，液面位置越高，信号越大；液面越低則信号就小。接收到的信号經BG1、BG2放大，經D1、D2整流成直流電壓。當4.7KΩ上的電壓超過BG3的導通電壓時，有電流流過BG3，電流表有指示，電流大小與液面有關。當液位低于設置值時，比較器輸出為低電平。BG不導通，若液位升到規定位置，比較器翻轉，輸出高電平。BG導通，J吸合，可通過電磁閥将輸液開關關閉，以達到控制的目的（高位控制）。
液位測試
超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發出的超聲脈沖信号，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面後被反射，接收到回波信号後計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比拟的優點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁幹擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩定、可靠性高、壽命長；（2）其響應時間短可以方便的實現無滞後的實時測量。
系統采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發射傳感器發出超聲波脈沖，傳到液面經反射後返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發射到接收到所需的時間，根據媒質中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而确定液面。考慮到環境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償的方法對傳播速度予以校正，以提高測量精度。計算公式為：
V＝331.5＋0.607T（1）
式中：S為被測距離；t為發射超聲脈沖與接收其回波的時間差；t1為超聲回波接收時刻；t0為超聲脈沖發射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時刻和t1時刻，根據以上公式，用軟件編程即可得到被測距離S。由于本系統的MCU選用了具有SOC特點的混合信号處理器，其内部集成了溫度傳感器，因此可利用軟件很方便的實現對傳感器的溫度補償。
注意事項
1：為确保可靠性及長使用壽命，請勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器。
2：由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會導緻誤動作，風吹時檢出距離也會發生變化。因此，不應在強制通風機之類的設備旁使用傳感器。
3：噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會影響傳感器且不應在傳感器附近使用。
4：傳感器表面的水滴縮短了檢出距離。
5：細粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時無法被檢出（反射型傳感器）。
6：不能在真空區或防爆區使用傳感器。
7：請勿在有蒸汽的區域使用傳感器；此區域的大氣不均勻。将會産生溫度梯度，從而導緻測量錯誤。
暴露問題
超聲波傳感器應用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點，比如，反射問題，噪音，交叉問題。
反射問題：
如果被探測物體始終在合适的角度，那超聲波傳感器将會獲得正确的角度。但是不幸的是，在實際使用中，很少被探測物體是能被正确的檢測的。
其中可能會出現幾種誤差：
三角誤差，當被測物體與傳感器成一定角度的時候，所探測的距離和實際距離有個三角誤差。
鏡面反射，這個問題和高中物理中所學的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法産生回波，也就無法産生距離讀數。這時超聲波傳感器會忽視這個物體的存在。
多次反射，這種現象在探測牆角或者類似結構的物體時比較常見。聲波經過多次反彈才被傳感器接收到，因此實際的探測值并不是真實的距離值。
這些問題可以通過使用多個按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個超聲波的返回值，用來篩選出正确的讀數。
噪音：
雖然多數超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠遠高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環境也會産生類似頻率的噪音。比如，電機在轉動過程會産生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所産生的高頻噪音，機器人本身的抖動，甚至當有多個機器人的時候，其它機器人超聲波傳感器發出的聲波，這些都會引起傳感器接收到錯誤的信号。
這個問題可以通過對發射的超聲波進行編碼來解決，比如發射一組長短不同的音波，隻有當探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進行距離計算。這樣可以有效的避免由于環境噪音所引起的誤讀。
交叉問題：
交叉問題是當多個超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機器人上的時候所引起的。超聲波X發出的聲波，經過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時Z和Y會根據這個信号來計算距離值，從而無法獲得正确的測量。
解決的方法可以通過對每個傳感器發出的信号進行編碼。讓每個超聲波傳感器隻聽自己的聲音。
主要系列
檢測10～100mm10～200mm20～150mm20～250mmn
30～250mm60～400mm60～350mm100～1000mm100～700mmn
350～2500mm350～3400mm800～6000mm可選n
輸出方式開關量輸出PNP、NPN可選n
輸出狀态常開、常閉可選n
連接方式直接附線、M8接插件、M12接插件可選n
超聲波頻率380KHz240KHz120KHz可選n
工作電壓12～30Vdc20～30Vdc可選n
防護等級：IP67IP65可選n
短路保護：有n
反極性保護：有n
檢測距離30～250mm350～2500mm60～400mm100～1000mmn
100～700mm60～350mm200～1300mm350～3400mm800～6000mm可選n
輸出方式開關量PNPn
輸出狀态常開、常閉可選n
連接方式M8接插件、M12接插件可選n
超聲波頻率230KHz120KHz240KHz300KHz400KHzn
工作電壓12～30Vdcn
防護等級：IP67IP65n
短路保護：有n
反極性保護：有n
檢測距離0～700mmn
輸出方式開關量輸出PNP、NPN可選n
輸出狀态常開、常閉可選n
連接方式直接附線、M12接插件可選n
聲束角8°n
超聲波頻率220KHzn
工作電壓12～30Vdcn
工作溫度範圍（0℃～60℃）n
防等級：IP67n
短路保護：有n
反極性保護：有n
檢測距離20～200mm30～250mm60～400mm100～1000mmn
200～2000mm可選n
輸出方式模拟量輸出4～20mA0～10V可選n
輸出狀态常開、常閉可選n
連接方式直接附線、M8接插件、M12接插件可選n
超聲波頻率380KHz300KHz400KHz240KHz200KHzn
工作電壓15～30Vdcn
工作溫度範圍（-10℃～60℃）n
防護等級：IP67n
短路保護：有n
反極性保護：有n
超聲波傳感器诠釋解決其它技術無法解決的問題n
激光距離傳感器可用于其它技術無法應用的場合。例如，當目标很近時，計算來自目标反射光的普通光電傳感器也能完成大量的精密位置檢測任務。但是，當目标距離較遠内或目标顔色變化時，普通光電傳感器就難以應付了。n
雖然先進的背景噪聲抑制傳感器和三角測量傳感器在目标顔色變化的情況下能較好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮時，其性能的可預測性變差。此外，三角測量傳感器一般量程隻限于0.5m以内。n
二在自動化領域的廣泛用途n
超聲波傳感器雖然也經常用于檢測距離較遠的物體，而且由于它不是光學裝置，所以不受顔色變化的影響。但是，超聲波傳感器是依據聲速測量距離的，因此存在一些固有的缺點，不能用于以下場合。n
①待測目标與傳感器的換能器不相垂直的場合。因為超聲波檢測的目标必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°角以内。n
②需要光束直徑很小的場合。因為一般超聲波束在離開傳感器2m遠時直徑為0.76cm。n
③需要可見光斑進行位置校準的場合。n
如今，自動檢測和控制的方法中，除了超聲波傳感器和普通光電傳感器外，又增加了一個能解決長距離測量和檢驗的新方法—激光距離傳感器。它為各種不同場合提供了應用的靈活性，這些場合可包括如下：n
①設備定位。n
②測量料包的料位。n
③測量傳送帶上的物體距離和物體高度。n
三幾個應用實例n
、測量傳送帶上箱子的寬度n
使用兩個激光傳感器，在傳送帶的兩側面對面安裝。因為尺寸變化的箱子落到傳送帶上的位置是不固定的，這樣，每個傳感器都測量出自己與箱子的距離，設一個距離為L1，另一個為L2。此信息送給PLC，PLC将兩個傳感器間總的距離減去L1和L2，從而可計算出箱子的寬度W。n
2、保護液壓成型沖模n
機械手把一根預成型的管材放進液壓成型機的下部沖模中，操作者必須保證每次放的位置準确。在上部沖模落下之前，一個發散型傳感器測量出距離管子臨界段的距離，這樣可保證沖模閉合前處于正确位置。n
3、二軸起重機定位n
用兩個反射型傳感器面對反射器安裝，反射器安裝在橋式起重機的兩個移動單元上。一個單元前後運動，另一個左右運動。當起重機驅動闆架輥時，兩個傳感器監測各自到反射器的距離，通過PLC能連續跟蹤起重機的精确位置。n
有了這種新式廉價激光測距傳感器，反射性或多顔色的目标長距離位置檢測即使在檢測角度變化的情況下也沒問題了
檢測距離20～200mm100～700mm400～2500mm60～350mmn
200～1300mm350～3400mm800～6000mm可選n
輸出方式模拟量輸出4～20mA0～10V可選n
輸出狀态常開、常閉可選n
連接方式直接附線M12接插件可選n
超聲波頻率240KHz230KHz120KHz380KHzn
工作電壓12～30Vdc15～30Vdcn
防護等級：IP67IP65n
短路保護：有n
反極性保護：有
