超声波探头（换能器）的工作原理及应用

常用的超声波频率为40KHZ——25MHZ。一般市面上经常用到超声波探头的频率大概是1MHz-10MHz.

　　

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振动（横波）及纵向振动（纵波）如上图1和下图2所示。

　　在工业中应用主要采用纵波。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低一般为几十KHz，而在固体、液体中则频率较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播衰减较小且传播较远。利用超声波的特性可做成各种超声传感器，配上不同的电路制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅、医疗家电等各方面得到广泛应用。
　　超声波传感器（超声探头）主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。压电伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。1-3型压电复合材料具有高灵敏度、高机电耦合系数等一系列有点，因此它是目前应用最广泛的复合晶片之前。目前可以生产1-3型压电复合材料的频率为0.1MHz～15MHz。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。如下图就是超声测厚中双晶探头的结构。

　　由发送传感器、接收传感器(、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
工作模式
　　超声波传感器利用声波介质对被检测物体进行非接触的检测，也就是常说的无损检测。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测，其检测性能几乎不受任何环境条件的影响包括烟尘环境和雨天。
检测范围和声波发射角
　　超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6o声波发射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12°至15°的传感器能够检测具有较大倾角的物体，如下图所示是斜探头发射声波的角度范围。此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。

　　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，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，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，尤其是在阳光不透明的固体中，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反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。