超声波是一种振动频率高于声波的机械波，具有频率高、波长短、方向性好、穿透性强、反射现象显著等特点，能在气体、液体、固体、固熔体等物质中有效进行传播。目前，超声波技术已被广泛应用于工业、国防、生物医学等方面。
声音是由于物体振动产生的，人耳能听到的频率在20Hz～20kHz范围内，超过20kHz的称为超声波，低于20Hz的称为次声波。常用的超声波频率为几十千赫到几十兆赫。
2.1 超声波传感器的工作原理
超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或超声波探头。该传感器能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。
超声波探头常用的材料是压电晶体或压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。由于它具有可逆性，可以利用压电材料的压电效应将接收的超声波振动转换成电信号，也可将电信号转换成超声波信号，故可以制成超声波发送器与接收器。另一种超声波探头的材料是导磁材料，它是利用导磁材料的压磁效应将接收的超声波振动转换成电信号。通常主要用于制造大功率超声波发生器，如超声波清洗机、超声波加工设备等。
2.2 超声波传感器的类型
（1）按工作原理分类
超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。压电式超声波传感器的工作原理是当压电晶片加有大小和方向不断变化的交流电压时，就会使压电晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向与外加电压的大小和方向成正比，这种机械振动推动空气等介质，便会发出超声波。依据压电晶片的逆电压效应，若在压电晶片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号。
（2）按工作方式分类
超声波传感器实质上是一种可逆的换能器件。它既可以把电振荡的能量转换为机械振荡形成超声波，又可以把接收到的超声波能量转换为电振荡。因此，超声波传感器按工作方式可以分为发射器和接收器。
（3）按封装方式分类
超声波传感器按其封装方式可分为开放型和密封型两大类，分别用于遥控、测距、防盗警报等场合。
2.3 超声波传感器的结构和符号
（1）超声波传感器的结构
如图5.5（a）所示为开放型超声波传感器的结构。超声波传感器主要由压电陶瓷晶片、喇叭形谐振器、引线端子和金属盒体构成。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，喇叭形谐振器用于集中发射和接收声波的能量，并且使传感器有一定的指向角。金属盒体可防止外界力量对压电陶瓷晶片及喇叭形谐振器的损害，但不影响发射和接收超声波。
图5.5 超声波传感器的结构
如图5.5（b）所示为密封型超声波传感器的结构。超声波传感器主要由压电陶瓷晶片、引线端子和金属盒体构成。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。这种传感器具有防水作用（但不能放入水中），故可以经受露水、雨水及尘土的影响，在一定程度上具有抗腐蚀性，可用于室外或有液体溅到的场合，如用于小型油罐或油罐车测液位的高度。
（2）超声波传感器的符号
如图5.6所示为超声波传感器的电气符号。一般来讲，其两个引脚没有严格意义上的正极和负极之分，但有一圈黑的引脚是可以看成正极，另外一个引脚是接外壳可以看成为负极。负极接地，可以起到屏蔽作用。
图5.6 超声波传感器的电气符号
2.4 超声波传感器基本应用方式
超声波传感器常见的基本应用方式有直射方式和反射方式两种。
（1）直射方式
如图5.7（a）所示为直射方式。直射方式探测是将发射器和接收器面对面放置，主要用于遥控和探测物体，当接收器直接收到发射器的超声波信号时，认为被测物体不存在；收不到超声波信号，认为被测物体存在。
（2）反射方式
如图5.7（b）和（c）所示为反射方式。反射式探测是将发射器和接收器同侧放置，可用于探测物体和测量距离，有反射波时，认为被测物体存在。反射式有两种形式：即一种是使用一个发射器T和接收器R的独立型（双探头），如图5.7（b）图所示；另一种是只使用一个传感器既作发射器又作接收器的兼用型（单探头），如图5.7（c）图所示。兼用型只用一个传感器，这是其优点，但需要发射、接收切换电路，而且只适用于远距离探测。
图5.7 超声波传感器常见的基本应用方式
2.5 常见的超声波传感器简介
市售超声波传感器的谐振频率（中心频率）为23、40、75、200、400kHz等。超声波传感器常见的发射、接收标称频率为35～40kHz，常取40kHz，而传输的距离一般为10m左右。常见的超声波传感器有T/R40-××系列。
T/R40-××系列是压电陶瓷超声传感器，具有体积小、性能稳定、灵敏度高等特点，广泛应用于入侵防盗、自动开关、汽车防撞、测距、盲人眼睛、液面控制、驱虫器、停车场车位传感器和遥控器等。常见型号有T/R40-12、T/R40-16、T/R40-18A、T/R40-24A等，一个为接收器，一个为发射器，收发分体。标有T字样的是发射头，标有R字样的是接收头。
（1）T/R40-××型号中的字母及数字含义如下：
T/R—发射器/接收器
40—中心频率（kHz）
××—外径Φ（mm）
（2）T/R40-××主要技术参数：
其主要技术参数如表5-2所示。
表5-2 主要技术参数表
（3）T/R40-××外形尺寸及外形
外形如图5.8所示，外形尺寸如表5-3所示。
图5.8 T/R40-××外形尺寸
表5-3 T/R40-××外形尺寸表
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