图1:典型超声传感器的代表性图像
蝙蝠是奇妙的生物。眼睛瞎了,但视觉却很精准,即使在全速飞行时也能分辨出飞蛾和一片叶子。毫无疑问,它的视觉比我们敏锐,远远超出了人类的视觉能力,但肯定不是我们无法理解的。超声波测距是蝙蝠和许多其他动物用于导航的技术。为了模仿自然的方式来获得超越一切的优势,我们人类不仅理解了自然,而且成功地模仿了其中一些表现,并最大限度地利用了它们的潜力。
历史
图2:图形图像显示历史的紫外线传感器
蝙蝠飞行的历史可以追溯到1790年,当时拉扎罗·斯帕兰扎尼首次发现蝙蝠是靠听觉而不是视觉飞行的。Jean-Daniel Colladon在1826年发现了使用水下钟的超声波,成功且准确地测定了声音在水中的速度。此后,这一领域的研究工作进展缓慢,直到1881年皮埃尔·居里的发现为现代超声换能器奠定了基础。他发现了晶体材料上电压和压力之间的关系。不幸的泰坦尼克事故激发了人们对这一领域的浓厚兴趣,正是因为这个原因,保罗·朗之万发明了探测冰山的水听器。这是第一个超声波换能器。水听器可以发送和接收低频声波,后来在第一次世界大战中被用于探测潜艇。
与声纳类似,医学研究也开始对超声波产生兴趣。20世纪30年代末,卡尔·杜西克博士使用了一种称为超声谱术的技术,将超声波的回声记录在一张感光纸上。这项技术被用来制作大脑的超声图像,以帮助检测肿瘤,并标志着超声成像技术的诞生。此后,许多科学家,如伊恩·唐纳德、道格拉斯·霍里、约瑟夫·霍姆斯、约翰·怀尔德和约翰·里德,在医学领域对超声波传感器的各个方面进行了改进,这些传感器能够诊断胃癌、卵巢囊肿、双胎妊娠,肿瘤等行业也没有浪费时间跳上这股潮流,并很快在20世纪60年代初发展了超声波焊接和无损检测等技术。
工作
超声波传感器是如何工作的?
超声波传感器是利用电能-机械能转换(机械能以超声波的形式存在)来测量传感器到目标物体距离的装置。超声波是纵向的机械波,它沿波在介质中的传播方向以连续压缩和稀疏的形式传播。任何超过人类听觉范围20000赫兹的声波都被称为超声波。根据应用的类型,频率范围大致分为如下图所示:
图3:声音的频率范围图示
当超声波入射到物体上时,能量的漫反射发生在一个宽的立体角上,可能高达180度。因此,部分入射能量以回波的形式反射回换能器并被检测到。通过关系式,可以计算出介质中超声波的速度(v)与物体的距离(L)
图4:了解超声波如何工作的图表
其中'是波回到传感器所花费的时间
’为水平线与图中所示路径之间的夹角。如果物体在运动,则使用基于多普勒频移的仪器。获得关于超声波传感器内部结构和工作的所有细节了解超声波传感器的工作原理.
超声波代
产生超声波
为了产生这样的机械波,需要一些表面的运动,如膜片,然后以压缩和稀疏的形式将运动诱导到它前面的介质。在电机模式下工作的压电材料和磁致伸缩材料已被广泛用于分别在1-20 MHz和20-40 kHz频率范围内产生超声波。传感器采用压电陶瓷传感器,当电信号施加到传感器上时,传感器会弯曲。它们连接到一个电子振荡器,其输出以所需频率产生振荡电压。锆钛酸铅等材料是医学超声成像中常用的压电材料。为了获得最佳结果,所施加的振荡频率必须等于陶瓷的固有频率,该固有频率可通过共振产生振荡。当在共振状态下工作时,它提供了最大的灵敏度和效率。
压电是一种可逆现象,当超声波从目标反射回来并撞击陶瓷结构时产生电压。这样,换能器在脉冲模式下既可以作为发射机又可以作为接收机工作。当需要连续测量距离时,可以使用单独的传感器进行传输和接收。工业上使用的传感器通常用于阵列,阵列可以是由振荡或旋转传感器组成的机械阵列,也可以是线性、弯曲或相控的电子阵列。为了使超声波传感器的输出形象化,需要使用不同种类的显示器,其形状取决于所使用的换能器阵列的类型和功能。扇形视场由机械阵列、弯曲和相控电子阵列产生,线性视场由线性阵列产生。显示模式可以是y轴上的振幅和x轴上的时间的线性图形,称为振幅模式或a模式,或强度调制的b扫描,其中光点的亮度表示反射波的振幅。其他模式包括m模式、多普勒(D)模式等。
这些传感器的参数化通常是通过监测来自传感器横向和轴向运动的反射和传输信号来完成的,同时保持目标固定在特定的介质(通常是水)。声束发散得很快,因此要注意换能器产生尽可能小的声束。光束模式越窄,传感器的灵敏度越高。然而,传感器和表面之间可能的角度随着光束宽度的增加而增加。观察到如下所示的光束模式:
图5:显示轴向和横截面梁轮廓的图形图像
测量超声传感器性能的参数包括带宽、衰减、动态范围和分辨率(如灰度、轴向和横向分辨率)。其他参数包括标称频率、峰值频率、带宽中心频率、脉宽、灵敏度和信噪比。
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超声波传感器的重要性
有各种基于其他物理传感器原理的传感器,如光学测距传感器和微波设备。那么,既然声速比电磁波的速度慢,为什么一开始要用超声波换能器呢?答案就在问题本身。因为基于电磁波的设备速度太快了。由于超声波的速度比电磁波慢,所以它所花费的时间比电磁波要长得多,因此测量起来更容易,成本也更低。因为它们是基于声波而不是电磁波,所以它们可以在后者不能工作的地方工作。
例如,在透明物体探测和液位测量或高眩光环境下,基于光的传感器会因为目标的透射率或传播介质的半透明而受到很大的影响。基于声音传播的超声波装置实际上不会受到影响。这在潮湿的环境中也能很好地发挥作用,因为在潮湿的环境中,光束可能会受到环境中水滴的折射。考虑到距离和精度,超声波传感器可能位于两个基于电磁波的传感器之间,下端的红外测距仪和上端的激光雷达。超声波测距仪不像激光雷达那样精确或远距离,但比红外测距仪表现更好,红外测距仪对环境条件非常敏感,当环境变化时需要重新校准。此外,与MRI或x射线扫描相比,这些设备由于价格便宜和便携,在医学成像方面具有优势。与x射线或基于放射性的方法相比,在使用的强度水平上没有检测到超声波的有害影响,特别适合于软组织成像。
问题和担忧
然而,超声波传感器也不是没有所有的问题。随着介质温度的升高,声速在介质中也会增加。因此,即使目标一直保持在同一个地方,现在看起来它似乎已经移到了离传感器更近的地方。由于各种原因,气流可能会干扰波的路径,从而导致“漏检”或错误的测量。
声学噪声,如阀门和气动装置在接近工作频率时发出的啸声或嘶嘶声所产生的高音,可能会干扰传感器的输出。电噪声也会影响传感器的性能。这些可能生成的工件不是被成像对象的真实表示。就像当物体与眼睛的距离变得太小以至于眼睛看不见它时,视力开始模糊一样,超声波设备也有一个“死区”,传感器无法可靠地进行测量。这是由于一种称为振铃的现象发生的,这是传感器发射脉冲后的连续振动。因此,当距离太小时,换能器还没有停止工作,无法区分入射辐射引起的振动或电激励引起的振动。超声波的危险也是有根据的。如果强度太高,会导致人体组织发热,接触到它的人可能会破裂。在医学领域,胎儿鉴定和由此导致的堕胎等伦理问题也备受关注。
应用程序
超声波传感器的应用可以根据其所开发的特性进行分类。这些可以总结为:
域
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参数
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应用程序
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时间
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Tile-of-Flight、速度
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密度、厚度、缺陷检测、各向异性、机器人技术、遥感等。
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衰减
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反射和传输信号的波动
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缺陷表征、微观结构、界面分析
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频率
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超声波光谱
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显微组织、晶粒尺寸、孔隙度、相分析。
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图像
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光栅c扫描或SARs中的飞行时间、速度、衰减映射
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表面和内部缺陷成像,密度,速度,2D和3D成像。
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人们一直在研究如何克服超声波传感器的问题,特别是在被称为超声波的医学成像领域。超声传感器的伪影(如声阴影和声增强)正被用来表征组织,从而区分实体组织和囊性组织。该行业也从塑料焊接、珠宝清洗、遥感和遥测、辅助停车系统等应用中的超声波传感器中获益。机器人众所周知,超声波测距仪是测距和测绘的首选工具。甚至时装业也在头发造型中使用超声波传感器,比如植入头发。
图6:使用超声波传感器进行探伤的示意图
应用与未来
将来
无损检测和探伤是利用各种模式的超声波,如纵波(l波)模式和横波(s波)模式来探伤材料中的缺陷。随着科学的进步,电容式微机械超声换能器(cmut)等新材料正在开发中,有望具有更高的带宽和与电子电路集成的更大潜力。
这些设备为检测各种材料的问题提供了非侵入性措施,无论是活体组织还是非活体制成品。超声波传感器有着健康的历史,能够检测出许多问题,否则会让医生们头晕目眩,问题得不到治疗,即使在未来的日子里,超声波传感器也能提供很多希望。电磁辐射对环境和心理的影响被严格置于扫描仪之下,超声波应用有望蓬勃发展,并为当代技术提供实质性的替代方案。
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