超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在交变电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕身现象小、特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、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回波,碰到活动物体能产生多普勤效应。因此,超声波检测广泛应用在工业、国防,生物医学等方面。
以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率超声探头多用于探测。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波),兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射一个探头接收)等。
超声波探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电唱片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能是不同的,使用前必须预先了解它的性能。
超声波传感器的主要性能指标包括:
(1)工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。
(2)工作湿度。由于压电材料的居里点一般比较高,特别是诊断用超声波探头使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。医疗用超声波探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。
(3)灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高;反之,灵敏度低。
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