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超声波传感器应用超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波传感器具有成本低、安装维护方便、体积小、可实现非接触测量，同时不易受电磁、烟雾、光线、被测对象颜色等影响，能实现在黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰和有毒等环境下工作。因此在 工业领域得到广泛的应用。本文结合超声波传感器的工作原理， 对超声波在测距、自动焊缝跟踪、零件无损探伤、流量测量、液体 浓度检测的应用现状作了综述。 １ 超声波传感器的工作原理 超声波定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御 天敌及捕获猎物的生存手段，这些生物体可发射人们听不到的 超声波（20ｋHz以上的机械波），借助空气介质传播，根据猎物或 障碍物反射回波的时间间隔及强弱，判断猎物的性质或障碍物 的位置［１］。人们根据仿生学原理，开发出了超声波测距和无损探 伤等一系列实用的超声波传感器。 超声波传感器是一种可逆换能器，利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，实现对各种参量的测量。超声波发生器可分为两大类：一类是用电气方式产生超声 波；一类是用机械方式产生超声波。电气类包括压电型、磁致伸 缩型和电动型等；机械类包括加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它 们所产生的超声波频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也有所不同。目前常用的是压电式超声波发生器，它是利用压电晶体的谐振来工作的，该传感器有两个压电晶片和一个共振板，当其两极外加脉冲信号，且频率等于压电晶片的固有振荡频率时， 压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波。反之， 如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将迫使压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收 器。根据回波与发射波之间的时间差或是回波的强弱，超声波传 感器即可得到被测物距离或属性。 ２ 超声波传感器的应用 ２．１超声波测距 超声波测距的基本原理是超声波发射传感器发出声波，声波遇到被测物体返回至超声波接收传感器，根据声波的传输时间ｔ，即可计算出被测距离：
式（１）中ｃ为声波在介质中的传播速度（ｍ／ｓ）。 超声波测距原理简单、数据处理速度快、安装维护方便和成本低等优点，在液位测量、机器人避障及精确测距定位等得到广 泛的应用。李敏哲等［２］设计了基于无线传输的分布式超声波液位测量系统，能同时对多个储液罐液位进行测量，系统中采用了测温电路对温度进行补偿，提高了测量精度。刘玉芹等［３］采用两个超声波传感器检测机器人行走过程中周围障碍物信息，实现了移动机器人避障功能，但是只能获取目标的距离信息，而不能准确得到目标的边界信息。在室内多个已知位置安装超声波发射器，把接收器安装在移动机器人上，并结 合一个扩展的卡曼滤波器，实现室内移动机器人精确定位。为了克服超声波传感器的检测盲区，研制了基于超声波传感器与红外传感器的感测系统，采用红外传感器补偿了超声波传感器的检测盲区，提高了 感测范围，在移动机器人避障及导航中得到了良好的应用。我们设计了一种以单片机为主控芯片，ＣＰＬＤ负责超声波的产生、 发送和接收以及对超声波的传播时间进行高速计数，并采用数字温度传感器进行温度补偿的超声波测距系统，减小了超声波计时误差和声速误差，实现了高精度的距离测量。 ２.２超声波自动焊缝跟踪 由于超声波传感器具有不受弧光和强电磁干扰、对检测物 体表面起伏变化敏感、性价比高、可穿透烟尘等优点，近年来在 焊缝跟踪中得到了一定的应用。我们设计一种基于超声 波传感器的波纹板折线焊缝跟踪系统，用超声波传感器跟踪波 纹板的一个波纹周期，对输出信号进行快速傅立叶变换和巴特 沃兹滤波后，求出波纹板槽面与斜边交接处的折弯位置，实现了 波纹板折线焊缝自动跟踪。采用最小二乘法拟合对超声波传感器进行标定，在直角焊缝自动焊接跟踪中得到较好 的效果。张晨曙等［９－１０］对超声波在焊缝跟踪进行了综述，提出了 在焊接环境中提高超声波检测精度的措施，如信息融合技术和 信息处理技术。 ２.３超声波流量测量 超声波流量检测的基本原理，是基于超声波在流体中传播 的速度等于流体的流速与超声波速度的矢量和。其具体实现方 法有传播速度差法（包括差频法、时差法和相位差）、波束偏移 法、多普勒法、相关法、空间滤波法以及噪声法等［１１］。我们研制了基于超声波时差法的流量计，采用高精度的 ＴＤＣ－ＧＰ２ 时间数字转换器，流量测量精度达到 ５％。我们设计了一 种基于互相关理论的超声波气体流量测量系统，采用ＤＳＰ为控制器，通过采集上、下游流动信号做互相关运算，计算出互相关函数峰值对应的渡越时间，间接测量出流量 ， 在流速大于0.16ｍ／ｓ时测量误差小于3％。 ２.４超声波液体浓度检测 超声波液体浓度检测原理是基于超声波在液体中传播速度 与液体浓度和温度之间存在着函数关系。根据声学原理，液体中 超声波传播的速度是液体弹性模量和密度的函数，超声波的速 度随液体弹性模量或密度而变，同时也是溶液质量浓度和温度 的函数。因此只要在不同温度下测得超声波的传导速度，即可求 出液体的质量浓度。黄佳等［１４－１５］设计了一种基于超声波传感器 的酵母浓度检测系统，研究了碑酒生产中酵母细胞浓度与超声 波传播时间以及温度之间的对应关系，并对测量中产生影响的 各个因素分别加以讨论并提出解决方案，实现了啤酒生产中酵 母浓度的在线测量。 ２.５超声波零件无损探伤 超声波探伤既可以检测材料表面的缺陷，又可以检测内部 几米深的缺陷，比Ｘ射线探伤灵敏度高、周期短，对人体无害等 优点。其缺点是要求工件表面平滑，有经验的检测人员才能判别 出缺陷的类型，对缺陷没有直观性。因此超声波探伤适合于厚度 较大的零件检测。李凯峻［１６］提出了一种对高压无缝钢管超声波 无损检测方法，可以对直管进行自动连续和点动探伤检测，并存 储了各种钢管探伤工艺和标准，实现了无缝钢管的自动超声波 无损探伤。我们设计了一种超声兰姆波无损探伤检测系 统，对金属薄板无损探伤获得了较高的灵敏度。我们对无 损探伤中的快速计算技术进行了研究，为无损探伤技术的可靠 性、可靠性评价方法及影响因素提供了参考。 ３ 超声波传感器的缺点及解决方法 １）测量盲区。超声波的测量盲区由两个因素造成：第一是超 声波传感器发射信号过后，换能器存在余振，如果发射信号后立 即打开接收电路，余振信号会引起误判断。一般在启动发射信号 后，要延迟一段时间再打开接收电路，这段时间无法检测超声波 的传播距离，因此会存在测量的盲区。超声波的余振信号强弱跟 换能器的性能、发射信号的强弱有关。通过提高换能器的性能和 减小发射信号的功率可降低余振，减少盲区。第二是一体化探头 的超声波传感器需要控制器通过切换电路控制发射和接收，切 换的时间间隔也会产生盲区。可以采用更高主频的控制器和更 快的切换电路来减少此类盲区。 除了提高控制器和传感器的本身性能外，班宁利用红外传感器无盲区、测量精度高、方向性强，但受环境影响较大、 探测距离较近的特点，将超声波传感器与红外线传感器组合使 用，实现优势互补，来克服超声波传感器测量盲区的问题。 ２）超声波传播速度受环境变化影响。超声波在介质中传播的速度受到环境变化的影响（如温度、压力、湿度等），其中温度 的影响最为明显，一般温度每升高 １℃，声速增加约为 ０．６ｍ／ｓ， 式（２）、式（３）分别是在空气和海水中时，超声波传播的速度与环 境参数之间的函数关系［１９］。
式中，Ｔ为环境温度（单位为摄氏度℃），Ｓ为水盐度（按千分比计算），Ｐ为海水静压力牗单位为Ｐａ牘。 为了提高超声波的测量精度，必须对声速进行校正。声速校 正的主要方法有：温度补偿法和设置校正具法。温度补偿法采用 温度传感器检测环境温度，再计算出对应的声速。设置校正具法是在测距过程中采用双通道测量：一个通道通过对已知距离的 预设参照物的测量，确定当前环境下的声波速度；另一通道则以 测得的声速为准，按正常方式测距，避免了环境变化对声速的影响［２０］。莫德举等［２１］采用设置校正具法对声速进行补偿，对液体液 位进行测量，实现了比温度补偿法更高精度的测量。 ３）障碍物体积不能太小。根据超声波传播理论，当障碍物的 尺寸小于超声波长的 １／２时，超声波将发生绕射；当障碍物尺寸 大于波长的１／２时，才能反射。如采用的超声波传感器发射频率为 ４０ｋＨｚ，相应半波长为 0.025ｍｍ，因此在理论上最小可以测 得边长为0.025ｍｍ的障碍物。可提高超声波的发射频率来实现 更小体积障碍物的测距。 ４）测量距离有限。超声波回波信号幅值随传播距离增大呈指 数规律衰减，使得接收器收到的回波信号随着测量距离增大而大幅减小，造成测量距离有限。而增大发射器发射功率会使换能器 余振增大，加大了测量盲区。在电路中串上自动增益调节环节 （ＡＧＶ），使电路放大倍数随着测量距离的增大而按相应规律增加，可减少对测量盲区的影响。但受到超声波发射功率和损耗的限制，目前国内超声波传感器的最大测量距离一般不超过１５ｍ。 ４ 超声波传感器的发展趋势 超声波传感器作为典型的非接触检测技术，同时具有体积小、 成本低，不受电磁、光线、烟雾等干扰的优点，具有广阔的发展前景。综合分析了超声波传感器在测距等方面的应用现状、存在的问 题及解决方法，对超声波传感器的发展趋势做以下几点展望： １）集成化、高精度，未来的超声波传感器将内置温度补偿电 路，当外界环境温度变化时，由温度补偿电路自动进行校对，提高测量的精度。 ２）提高抗干扰性，新型的超声波传感器感应头应具有更强 的自我保护能力，可以抵御物质损害，适应比较脏乱的环境。使得超声波传感器能适应恶劣环境测量。 ３）智能化、数字化，新型超声波传感器应易于调整、适应不 同的测量距离，输出的信号有多种类型，使得应用更加灵活。 ４）多种传感器融合技术，随着工业现场对传感器的检测精 度和可靠性要求越来越高，多种传感器（如激光测距、红外线等） 与超声波传感器冗余结合使用，充分发挥各自的优势，提高传感 器的总体性能，也将成为超声波传感器的一个发展趋势。 参考文献 ［１］赵小强，赵连玉．超声波测距系统中的温度补偿［Ｊ］．组合机床与自动 化加工技术，２００８（１２）：６２－６４ ［２］李敏哲，赵继印，李建坡．基于超声波传感器的无线液位测量系统 ［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００５（１１）：３５－３６ ［３］刘玉芹，刘敬文．超声波测距仪在移动机器人避障中的应用［Ｊ］．仪器仪表学报，２００６（６）：１５５９－１５６０ ［４］ＳｅｏｎｇＪｉｎＫｉｍ牞ＢｙｕｎｇＫｏｏｋＫｉｍ．ＤｙｎａｍｉｃＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＨｙｂｒｉｄ ＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ ｆｏｒＩｎｄｏｏｒＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔｓ．ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ ＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ牞２０１３牷６０牶４５６２－ ４５７３ ［５］丁立军，华亮，陈峰．基于超声波传感器与红外传感器的移动机器人 感测系统研制［Ｊ］．南通大学学报（自然科学版），２００８（６）：１３－１７ ［６］堵俊，吴晓，华亮．基于 ＣＰＬＤ的新型高精度超声波传感器测距系统 研制［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００８（１１）：８－１１ ［７］田松亚，等．超声波传感器在波纹板折线焊缝跟踪中的应用［Ｊ］．焊接 学报，２０１０（１２）：９７－１００ ［８］王英鸽，等．超声波传感器在直角焊缝自动焊接中的应用［Ｊ］．传感器 与微系统，２００９（５）：１１２－１１４ ［９］张晨曙，叶建雄．超声波在焊缝跟踪中的应用［Ｊ］．焊接技术，２００９ （４）：１－４ ［１０］胡绳荪，张绍彬，候文考．焊缝跟踪中的非接触式超声波传感器的研 究［Ｊ］．传感器技术，１９９９（２）：５－８ ［１１］高国旺，等．超声波传感器流量测量的关键问题思考［Ｊ］．仪器仪表 与分析监测，２００６（２）：２３－２８ ［１２］姚滨滨，等．基于时差法和 ＴＤＣ－ＧＰ２的超声波流量测量方法［Ｊ］． |
