超聲波能量廣泛用于感知附近物體的存在，甚至在需要時確定它們的距離，以及測量工業和科學應用中的流體流量。超聲波的優點是應用相對容易、準確、安全或風險因素極少、沒有監管限制，并且避免了射頻頻譜分配或 EMI/RFI 問題。請注意，它也用于超聲波成像，但這是一個具有大量差異和獨特背景的主題，因此我們不會在這里討論。

為了在適當的應用中使用超聲波傳感時充分發揮其優勢，設計人員需要充分了解其工作原理、可用組件和電路要求。他們還必須考慮架構方法，例如是否使用單獨的發射和接收單元，以便在必要時將每個單元放置在不同的位置，或者使用組合的單單元收發器。

最后，他們還必須提供合適的電子驅動器和接收器，這些驅動器和接收器可以在適當的頻率下運行，通常約為 40 kHz 用于位置傳感/檢測，數百 kHz 用于流體流動傳感。高頻換能器的優點包括提高分辨率和聚焦方向性（前向光束模式），但缺點是增加信號路徑衰減。

超聲波能量在空氣介質中傳播時散射和吸收的速率隨頻率增加而增加。如果其他因素保持不變，這會導致最大可檢測距離減少。40 kHz 頻率是效率、衰減、分辨率和物理尺寸等因素之間的折衷，所有這些都與波長有關。

原理簡單，取自自然

超聲波檢測是蝙蝠和海豚等動物使用的基本回聲定位原理的復雜版本，如圖 1 所示。

圖 1.基于電子的聲學檢測和位置傳感起源于回聲定位，被蝙蝠等生物有效地利用。（圖片來源：佐治亞州立大學)

在作中，換能器（通常是壓電器件）產生短暫的聲能脈沖。脈沖結束后，系統切換到接收模式并等待該脈沖的反射（回波）。當傳輸的聲能遇到阻抗躍遷或不連續性時，例如在空氣和固體物體之間，其中一些能量會被反射并可以檢測到，同樣通常由壓電設備檢測到。

聲阻抗基于給定材料的密度和聲速，確定在具有不同聲阻抗的兩種材料邊界處發生的反射量非常重要。聲阻抗基于給定材料的密度和聲速。

反射的能量比例是材料類型及其吸收系數以及材料之間邊界處的阻抗差的函數。石頭、磚塊或金屬等硬質材料比織物或墊子等軟質材料反射更多。

空氣的聲阻抗比大多數液體或固體的聲阻抗小四個數量級;因此，大部分超聲波能量根據反射系數的較大差異反射到換能器上。聲學橫截面是類似于雷達橫截面的指標，由目標物體的材料和尺寸決定。

這種檢測和距離傳感類似于雷達射頻能量或激光雷達光能遇到阻抗不連續性時發生的情況，其中一些能量被反射回源。然而，雖然總體概念相同，但有一個很大的區別：超聲波能量不是電磁能量。它對頻譜的使用不受監管，除了過高的聲壓級外幾乎沒有限制，這一考慮因素通常與傳感/檢測應用無關，因為大多數在相當低的功率水平下運行。

傳播和介質問題

還有一個很大的區別：超聲波傳感/檢測只能用于傳播介質，例如空氣、其他氣體，甚至液態流體。聲能（聲音）不能通過真空傳播，因此太空中沒有聲音（正如 1979 年的經典電影《異形》中所指出的，“在太空中，沒有人能聽到你的尖叫聲”）。這就是現實，盡管您在太空主題的電視節目和電影中聽到附近的太空飛行器爆炸時會發出響亮的聲音。

聲能通過各種介質的衰減和傳播與射頻和光能相反。聲能通常在液體中傳播良好，而射頻能量通常不會，并且光能在大多數液體中也具有很高的衰減。此外，與聲能不同，射頻和光纖在真空中的衰減都很低。

在其最簡單的實現中，超聲波系統僅用于通過檢測足夠強度的返回信號來檢測整個感興趣區域內物體或人的存在與否。通過添加定時測量，還可以確定到目標的距離。

在更復雜的系統中，還必須確定到物體的距離，該距離通過一個簡單的等式計算：距離 = 1/2（速度×時間），使用發射脈沖和接收反射之間的往返時間以及空氣中既定的聲速。需要“1/2”系數，因為時間測量是往返時間。

在 20°C （68°F） 或每小時 770 英里/1235 公里時，該傳播速度約為每秒 343 米/1125 英尺，也稱為 1 馬赫。如果介質是空氣以外的流體或氣體，當然必須使用適當的傳播速度。

請注意，空氣中的聲速隨溫度和濕度而略有變化。因此，超精密距離傳感應用需要感測其中一個或兩個因素，并在基本方程中添加一個校正系數。

再一次，作為工程師將負因素轉化為正因素的一個例子，有先進的溫度傳感系統可以利用傳播速度與溫度的變化。這些系統通過使用已知距離內反射超聲脈沖的精確計時來確定流體溫度。然后，他們進行“反向校正”以確定什么溫度會導致傳播速度。當然，要使這種反向方法發揮作用，您必須有詳細的表格或方程來定義不同感興趣介質的速度與溫度的關系。

傳感器參數啟動過程

用于超聲波傳感的傳感器具有幾個頂級參數。其中包括：

• 工作頻率、容差、帶寬：如前所述，40 kHz 在許多基本應用中很常見，典型容差和帶寬為幾千赫茲。

• 驅動電壓電平：這指定了傳感器提供最佳性能的電壓電平。它的范圍可以從幾十伏到 100 V 或更高。

• 聲壓級 （SPL）：定義定義驅動電平下音頻輸出的幅度;它可以輕松達到 100 dB 或更高。更高的聲壓級降低了驅動電壓和功率要求，從而提供更遠距離的覆蓋范圍（典型的超聲應用的范圍為數十英尺），并簡化了接收器放大電路。

• 接收器靈敏度：這表征了壓電換能器在給定聲壓級下的電壓輸出。這個數字越高，就越容易克服系統噪聲并提供準確的讀數。

• 方向性：這定義了發射波束的擴散以及接收器最敏感的角范圍，如圖 2 所示。典型值在 40 kHz 時范圍為 60° 至 80°，通常測量到響應比 0° 角值低 6 分貝 （dB） 的角度。
  

  圖 2.方向性參數顯示發射側和接收側傳感器功能的角度擴展;它們可能相似，但通常不相同。（圖片：PUI Audio)

定位傳感器

決定傳感器選擇的因素之一是被感測物體的相對位置和方向。如果物體位于源的正前方，并且全部或部分與入射能量成直角，則部分撞擊能量將直接反射回源。

在這種情況下，使用單個傳感器進行發射和接收功能（稱為單基地布置）可以簡化物理設置和所需空間，并降低傳感器成本，如圖3所示。 

圖 3.在單基布置中，單個傳感器用于發射和接收功能。（圖片來源：科教出版公司)

例如，圖 4 所示的 PUI Audio UTR-1440K-TT-R 是一款 40kHz 超聲波收發器，是該配置的可行選擇。該裝置的直徑僅為 12.5 毫米 （mm），深度為 9 mm，設計用于在 140 V 的電壓下運行峰值-峰值（五P-P） 交流驅動器，并向驅動器提供 1800 皮法 （pF） 的標稱負載?；夭`敏度優于200 mV，方向性為70°±15°。

圖 4.UTR-1440K-TT-R 是一款基本的 40kHz 超聲波收發器，將發射器和接收器組合在一個外殼中。（圖片：PUI Audio)

在某些情況下，源傳感器和接收器傳感器是獨立的器件，但以圖 5 所示的并置或雙基地排列彼此相鄰。

圖 5.在雙基地布置中，超聲波源和接收器是獨立的設備;它們可能彼此相鄰，甚至距離更遠。（圖片來源：科教出版公司)

如果被感測的物體處于一定角度，它們甚至可能相距很遠，并且具有不同的方向。在這種情況下，被感測的物體會偏轉撞擊能量，而不是將其反射回源。單獨的器件還可以靈活地選擇兩個器件以匹配應用，并且還允許發射器的電源驅動電路與接收器的靈敏模擬電路的靈活性。

對于這些情況，將 PUI Audio 40-kHz UT-1640K-TT-2-R 超聲波發射器和 UR-1640K-TT-2-R 超聲波接收器配對可能是一個不錯的選擇。該變送器深 12 毫米，直徑 16 毫米，僅需要 20 Vrms 驅動。它產生 115 dB 的聲壓級，同時提供 2100 pF 的標稱電容和 80° 波束寬度方向性。互補接收器具有與發射器單元相同的外觀、尺寸、方向性和電容。

本文的下一部分重點介紹使用超聲波傳感來測量流體流量。