超声传感器工作原理 什么是压电超声传感器？看完就懂了

什么是压电超声传感器？看完就懂了

压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料，在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用。

压电材料在压电传感器件中的应用多种多样，其核心在于机械能和电能的相互转换：压电材料受机械振动（压电振动传感器）、声波传导（压电声传感器）等机械外力作用时晶格形变，引起极化状态的变化，输出传感电信号，或通过对压电材料受电场作用产生的形变进行测量来反映电场大小（压电电压传感器）。

声波信号可较好地实现与电信号的耦合与相互转换。根据声波激励、传播和耦合方式的不同，压电声传感器可分为压电超声传感器、声表面波传感器、电声脉冲传感器、压力波传感器等。

根据传感器耦合方式，超声传感器可分为接触式和非接触式，如图1所示。接触式超声传感器主要用于变压器、组合电器等大型电力设备监测，非接触式超声传感器则主要用于电力电缆、开关柜等电力设备检测。

根据国家电网企业标准《Q/GDW 11061—2017 局部放电超声波检测仪技术规范》要求，对于接触式超声传感器（不含前置增益），其峰值灵敏度一般不小于30dB(V/(m/s))，均值灵敏度一般不小于40dB(V/(m/s))，可以测到不大于40dB的传感器输出信号；对于非接触式超声传感器，在距离声源1m时，可以测到声压级不大于35dB的超声波信号。

图1 超声传感器的两种检测形式

由于受制造工艺限制、安装不当等因素的影响，电力设备难免会产生表面附着物、内部气泡、表面裂纹等缺陷，进而导致局部放电的发生。在电网运维周期中，主要通过超声传感器进行电力设备局部放电检测。

当电力设备内部绝缘发生局部放电时，会相应产生超声波信号，超声波信号沿绝缘介质和金属导体传导至外壳，并通过介质向外界传播。通过在电力设备外壳或设备附近安装如图2所示的压电超声传感器，可以耦合收集到局部放电产生的超声信号，进而判断电力设备放电情况。

图2 压电超声传感器

黎大健等以220kV的气体金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）母线腔体为研究对象，模拟了金属突起和金属悬浮等缺陷，使用谐振频率30kHz的压电超声传感器，通过对比超声信号时域波形、频谱、PRPD图谱中特征量，实现对产生局部放电的缺陷类型的判断，检测灵敏度达到10pC。

另针对电力变压器局部放电的精准定位问题，李继胜等基于超声波相控阵理论，研制了16×16阵元的平面超声波相控阵压电传感器阵列，传感器中心频率为150kHz，带宽达到100kHz。使用压电声源和油间隙放电等模拟实验对传感器阵元的性能进行了实测，结果表明，该传感器能够对变压器局部放电产生的超声波信号进行灵敏接收和定位。但具体应用时，仍需对超声波传播时会产生的反射、折射等复杂问题开展进一步研究。

此外，压电超声传感器也广泛应用于电力设备内部缺陷检测，其原理为通过检测超声导波在试件中的传播特性，实现对各种材料试件的宏观缺陷、组织结构、力学性能变化进行检测和表征，具有灵敏度高、衰减小、可定位的优点，受到研究者密切关注。

马君鹏等基于压电超声导波理论，提出了一种盆式绝缘子缺陷检测及定位方法。检测装置如图3a所示，包括超声导波检测仪、上位机和7个压电超声传感器（1个谐振频率为100kHz用于产生激励导波信号的发射型传感器，6个进行导波信号接收的接收型传感器）。

通过分析Lamb波在盆式绝缘子中的传播特性（见图3b、图3c），实现对绝缘子内部气泡、外部附着物及裂纹等缺陷的检测，且能够在微小缺陷引起局部放电等其他故障前及时预警，并精确定位缺陷位置，为盆式绝缘子损伤机理的研究和材料、工艺及安装方法的改进提供数据基础。

图3 基于压电超声导波检测绝缘子缺陷

另有研究者同样基于超声导波技术，设计了如图4所示的PZT—5压电超声传感器件组，用于输电线杆塔拉线棒缺陷的无损检测。通过对拉线棒中超声导波传播特性分析后，选取L(0,1)模态研究了不同截面损失率下缺陷和端面回波幅值的对应关系，实现了对拉线棒缺陷的准确识别。

图4 检测拉线棒缺陷的压电超声传感器

本文编自2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”，作者为姚睿丰、王妍 等。

劳易测易学堂干货分享-超声波传感器的原理与应用

在超出光学系统极限的领域，可以使用超声波传感器。它不仅能够容易探测到局部和全部透明或者完全黑暗的物体，也能探测诸如反光物体或在有粉尘、蒸汽或潮湿环境中的物体。今天，我们来分享一下超声波传感器的工作原理。

超声波传感器工作原理

超声波传感器基于物理学的声波反射原理进行工作。其工作原理类似于雷达系统，但使用的不是电磁波而是频率高于人类听觉范围（通常在20kHz以上，典型的是40kHz左右）的声波。它通过内置的压电陶瓷或磁致伸缩材料发射高频超声波脉冲（通常频率范围在30kHz至480kHz之间），这些声波以恒定的速度在空气中传播，遇到物体时会发生反射并返回到传感器内部接收器上。根据回波信号的到达时间和已知的声速，传感器可以精确计算出目标物体的距离和位置信息。

具体过程：

1. 发射阶段：传感器首先将电能转换为高频机械振动，产生并发射超声波脉冲。

2. 传播阶段：这些声波在介质（如空气或液体）中以特定速度直线传播，并遇到障碍物时会发生反射。

3. 接收阶段：当发射出去的超声波遇到目标物体后反射回来，传感器接收这部分返回的声波信号。

4. 处理阶段：通过计算超声波从发射到接收之间的时间差，并结合已知的声速，可以精确地测定出传感器与目标物体之间的距离。

超声波传感器分类和工作特点

劳易测超声波传感器的工作方式分为三种：漫反射型、对射型，镜反射型

漫反射型超声波传感器 /工作方式

传感器通电后会持续发出超声波，当有物体靠近时，发出的超声波会被返回到传感器，从而输出响应信号。

漫反射型超声波传感器 /特点

1.发射和接收为一体，易于安装

2.被测物体相当于反射板，需要对准

3.双输出型号有窗口输出功能，能做到前景和背景抑制

4.开关频率较低，10Hz以下，适合检测运行速度较慢的物体

对射型超声波传感器 /工作方式

对射型传感器分为发射端和接收端，传感器工作时，发射端发出的超声波会被接收端接收，当有物体靠近，发射端发出的超声波被遮挡，接收端即会输出响应信号。

对射型超声波传感器/特点

1.发射和接收单独安装

2.可以检测声波敏感材料或表面倾斜物体

3.双输出型号有窗口输出功能，能做到前景和背景抑制

4.无检测盲区，开关频率较高，可达100Hz，适合检测快速移动的物体

镜反射型超声波传感器 /工作方式

镜反射型传感器需要在对侧安装反光板，通过反光板将超声波信号返回进行检测。当有物体遮挡反光板时，传感器即会输出响应信号。

镜反射型超声波传感器/特点

1.无特定反光板，可用金属板/塑料板或墙壁背景

2.可以检测对声波敏感材料或表面倾斜

3.开关频率较低，在10Hz以下，适合检测运行速度较慢的物体

4.无盲区(但反光板有)，盲区一般小于检测距离的10%

如何计算超声波传感器的检测距离

超声波传感器在大气中工作，检测所有超声反射物体。超声波传感器定期发送声音脉冲，被物体反射的脉冲则在传感器内部计算。那么传感器如何计算检测的距离呢？

计算公式：距离L=t*c/2

t代表超声波从发送到被返回接收的时间，c代表环境温度为20℃时，超声波的传播速度（即340m/s）

测量范围和盲区

超声波传感器有着一定的测量范围和盲区，测量范围分为最近测量点和最远测量点，最近测量点是由盲区决定的。那么盲区又是如何产生的？

超声波传感器是由一发一收的交替工作方式，当超声波发出脉冲后没有即刻停止振动，而是需要经过特定的时间才会停止振动，所以并不能即时收到回声，这种延迟就相当于盲区。在盲区中传感器是无法稳定检测物体的，所以在实际使用中，我们需要规避在盲区范围内检测物体。

影响测量的因素

物体形状及表面

1.光滑与大平面尽量与传感器轴垂直

2.粗糙/不平的表面易发生散射

气流

1.密集的不稳定的高压气流会对超声波的传播产生影响

2.特别高温物体，如烧红的金属附近的产生的乱流会引起超声波分散

温度/湿度

1.标准情况下，温度越高，检测范围越小

2.标准情况下，湿度越高，检测范围越小

灰尘/雨水/雪/霜

1.空气中有以上自然现象会一定程度消耗超声波传播能量，导致检测距离变小

2.少量灰尘附在检测面基本无影响

劳易测作为领先市场的传感器解决方案提供商，凭借其深厚的创新底蕴及对产品品质的苛求，推出了一系列高性能超声波传感器。例如全新的开关型和测量型超声波传感器HTU200和DMU200系列。新型圆柱形超声波传感器拥有坚固的金属外壳，非常适用于包装或汽车工业。

应用

监控小开口容器液位

要求：

在灌装生产线上，通过穿过非常细小的容器开口检测液体。

解决方案：

全新紧凑型超声波传感器 HTU208 采用结构 M8 的螺纹套，拥有非常细长的声瓣，借此，可通过穿过非常小的容器开口监控液位。

汽车工业的环路控制

要求：

在汽车工业的切割系统中，切割过程必须与皮带运输分离。为了给控制系统提供必要的测量值以计算牵引速度，应以不接触方式测定皮带环的垂度。

解决方案：

DMU218 系列或 DMU230 系列测量型超声波传感器具有坚固的金属外壳，检测范围不同，适用于垂度控制。其可提供模拟电流或电压输出以及 IO-Link 接口。

关于劳易测Leuze：

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