超声波传感器的核心部分就是压电晶体，是将电能转换为超声能的关键。它本身就决定了超声波传感器的灵敏度，很大程度上决定了超声波传感器的各自性能差异。本文旨在通过实验研究说明超声波传感器本身性能差异大，进行老化可使其性能达到稳定，但由于其工艺制造原因和环境因素，同一批次的超声波传感器中只有一部分传感器在经过挑选以后才能用于实际应用中；重点研究环境因素中的温度对超声波传感器的性能影响，通过Visual Basic程序编译简单程序实现接收信号和温度采集的同步进行，提高实验数据的准确度，总结归纳出其性能变化规律。

1.1  超声波传感器的使用原理、应用及发展

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，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， 换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波能量并向空中辐射； 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，从而对发送的超声波进行检测。实际使用中， 用作发送传感器的陶瓷振子也可用作接收器传感器上的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比、稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器内有一个频率变换器，当变换器元件振动时，这个频率变换器就会向一个方向发出听不见的高频声波。如果声波碰到物体并反射回来，变换器即可接到回波信号[4]。根据超声波传感器的结构不同，可以分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、兰姆波探头、聚焦探头、冲水探头等；根据超声波传感器的材料不同，可以分为磁致收缩式（镍铁铝合金）、电致收缩式（压电晶体如锆钛酸铅等）等,如图1.1所示为超声波传感器的典型结构与表示符号。超声波传感器重要的性能指标有：（1）工作频率。工作频率即为压电晶片的共振频率。当作用在它两端的交流电压的频率和晶体的共振频率一样时，传感器转换的超声波能量最大，灵敏度也达到最佳。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低[2]。

图1.1  超声波传感器的典型结构图与表示符号

超声波传感器根据从发出超声波脉冲到返回回波信号之间的时间来确定与物体之间的距离。例如，装在塑料熔体罐或塑料粒料室顶部的超声传感器向集装箱内部发出声波时，回波返回的时间长度即可表示该集装箱是否已满、空或半满。有些超声传感器分别采用一个发射器和一个接收器变换器。这种双向模式超声传感器适用于需要进行制品边缘检测或希望有更快的响应时间，或在潮湿环境下使用的情况。在检测透明物体、液体、任何表面(粗糙、光滑、光亮)的密致材料和不规则物体时，超声传感器应该是首选。但超声传感器不适用于室外、酷热环境或压力罐，也不能用于探测泡沫物体。超声传感器在食品加工厂用于实现塑料包装检测的闭环控制系统[4]。 

超声传感器可用于探测液位、探测透明物体和材料，控制张力以及测量距离。其应用行业包括包装、制瓶、物料搬运、塑料加工以及汽车行业等。超声传感器现已常规用于流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。这些传感器还能减少由损坏部件产生的废品，以及由此引起的停工时间，从而提高生产率。目前，如何让各行各业认识到超声传感器在制造业的各个领域的应用潜力是我们面临的重大挑战，包括在质量控制、流程控制和检验等方面[5]。