超声波传感器（二）：磁致伸缩式传感器、性能指标与应用

超声波传感器（二）：磁致伸缩式传感器、性能指标与应用

本文是超声波传感器系列的第二部分，重点介绍磁致伸缩式超声波传感器的工作原理、材料与结构，超声波传感器的性能指标体系，以及超声波测厚、测物位和倒车雷达等典型应用。

磁致伸缩式超声波传感器

磁致伸缩式超声波传感器利用铁磁材料的磁致伸缩效应工作：铁磁材料在交变磁场中沿磁场方向产生伸缩，从而产生机械振动并发出超声波。镍的磁致伸缩效应最大，常先加直流磁场再通交变电流以工作在最佳区域。其他材料包括铁钴钒合金和含锌、镍的铁氧体。其工作频率范围较窄（几万赫兹以内），但功率可达100kW，声强可达几千瓦每平方毫米，且耐高温。

发生器由多个0.1~0.4mm厚的镍片叠加而成，片间绝缘以减少涡流损失，结构形状有矩形、窗形等。接收器原理相反：超声波引起材料伸缩，改变内部磁场，通过电磁感应在线圈中产生感应电动势。

性能指标

超声波传感器的主要性能指标包括：

• 工作频率：压电晶片的共振频率，共振时输出能量最大、灵敏度最高。
• 工作温度：诊断用探头功率小、温度低，可长时间工作；医疗超声探头温度较高，需单独制冷。
• 灵敏度：取决于压电晶片的机电耦合系数。
• 指向性：决定探测范围。

应用

超声波测厚

采用脉冲回波法：探头接触试件表面，发射超声波脉冲，脉冲到达另一表面后反射回来被同一探头接收。已知声速v，测量发射到接收的时间间隔Δt，厚度d = vΔt/2。测量范围0.1~10mm，信号频率5MHz，精度高、操作安全、可连续自动检测。但对声衰减大的材料、表面不平整或形状极不规则的零件测量困难。

超声波测物位

利用超声波在介质分界面上的反射特性工作。分为单换能器（发射接收共用）和双换能器（分开）两种。传感器可置于液体中（衰减小）、液面上方（便于安装维修但空气衰减大）或容器外壁（需器壁厚度为1/4波长的奇数倍）。通过测量发射到接收的时间间隔Δt计算物位高度。测量误差±0.1%，测量范围10⁻²~10⁴m。缺点是液体中有气泡或液面波动时误差较大。

倒车雷达

倒车雷达（PDC）是超声波测物位的典型应用，由超声波传感器、控制器和报警装置组成。通过发射并接收超声波，计算与障碍物的距离并提示驾驶员。存在盲区：低于探头中心10~15cm的障碍物、过细的障碍物（隔离桩、斜拉钢缆）以及沟坎等。

飞行时间原理

上述应用均基于飞行时间原理：通过发射并测量特定能量波束（超声波、激光、红外光、微波）从发射到被物体反射回来的时间，推算与物体之间的距离。这类传感器统称为距离传感器。