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自动驾驶中的传感器技术56——USS（2）

news 2025/9/29 7:59:15

超声波波雷达中的换能器，每个超声波单元中都有一个换能器。它将超声波发生器产生的电振动转换为同频率下的机械振动，并向下传递给焊接模具，使其产生振动。

1、压电式（电致伸缩式）

压电式超声换能器是一种利用压电效应进行声电转换的设备，其工作原理是压电材料（压电陶瓷如PZT、钛酸钡）在交变电场作用下产生形变，从而发出超声波；反之，接收到超声波后，材料形变又会产生电信号。这种换能器具有结构简单、易加工的特点，广泛应用于医学超声探头、工业无损检测等领域。

压电式超声换能器的工作原理

发送超声波：

当给压电材料（如压电陶瓷）施加一个交流电信号时，压电材料会因为压电效应而发生形变。
这种形变导致压电材料在空间中产生周期性的振动，就像一个活塞在运动，从而在介质中产生超声波。

接收超声波：

当接收到的超声波撞击到压电材料时，材料会受到声波的挤压或拉伸，从而发生形变。
这种形变又会产生一个与机械形变相对应的电信号（压电效应的逆过程）。

典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，底面接地，上面接至引出线。为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片，在压电晶片下粘合一层保护膜。吸收块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收超声波的能量。

2、磁致伸缩式

磁致伸缩式超声换能器（Magnetostrictive Ultrasonic Transducer）是一类利用磁致伸缩材料（磁致伸缩棒镍、镍‑Fe 合金或稀土超磁致伸缩材料）在交变磁场作用下产生尺寸变化（伸缩）进而发射或接收超声波的能量转换装置。其核心工作原理是磁致伸缩效应：铁磁材料在磁化时晶格会自发形变，磁场的周期性变化导致材料产生周期性机械振动，从而产生声波；相反，声波作用在材料上会引起磁通变化，可实现逆向检测

磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料臵于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。它是用几个厚为 0.1-0.4mm 的镍片叠加而成，片间绝缘以减少涡流损失，其结构形状有矩形、窗形等。磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场(即导磁特性)发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。

3、电致伸缩式和磁致伸缩式的对比

指标	电致伸缩换能器	磁致伸缩换能器
工作频率	典型 20 kHz ~ 200 kHz，甚至 MHz 级别	低频为主，常在 10 kHz ~ 100 kHz 以下，稀土材料可提升至 200 kHz 左右
输出功率	中等功率（几瓦到十几瓦），受陶瓷尺寸限制	大功率（数十瓦至上百瓦），适合高功率加工或焊接
能量转换效率	高（>70%），电-机械直接耦合	较低（≈30%），磁-机械耦合及磁路损耗导致效率下降
带宽	宽带（>10% 相对带宽），适合宽频应用	较窄（<5%），受机械谐振限制
耐环境	对温度、湿度敏感（需防水防潮），但结构紧凑	机械强度高，耐高温、耐水解，适合恶劣环境
驱动电路	低压驱动（几十至几百伏），电容匹配即可	需要高电流/高电压的磁路驱动，常配合阻抗匹配网络

类型	优势	局限
压电	• 转换效率高 • 体积小、重量轻 • 可实现高频、宽带 • 成本成熟、易批量生产	• 输出功率受限 • 对温湿度敏感，需防水封装 • 高功率时易产生热效应
磁致伸缩	• 输出功率大，适合高功率加工、焊接、无损检测 • 结构坚固，耐高温、耐水解 • 在铁磁材料中可实现直接激励（EMAT）	• 能量转换效率低，需要高功率驱动 • 工作频率受限，带宽窄 • 磁路设计复杂，需阻抗匹配网络

4、车载超声波雷达用超声换能器

车载超声波雷达用的换能器一般是压电式，在共振频率下，压电陶瓷片随交流电压伸缩产生高频振动，振动通过金属基板向外辐射声波；接收时，声波再次驱动陶瓷产生电信号，实现“发‑收”闭环。

除了压电式，目前还有MEMS超声换能器，但是还没有商用化。

类型	典型工作频率	结构特点	代表产品/规格
压电式超声波换能器	20 kHz ~ 200 kHz（常见 40 kHz、28 kHz）	陶瓷+金属背板，尺寸可做微型化	奥迪威 AW101：4.2 × 4.5 × 2 mm，仅为传统传感器体积的 1/10
MEMS 超声波换能器	60 kHz ~ 150 kHz	薄膜微纳加工，体积更小、功耗更低	佑航科技 AK2 芯片，已实现车规验证并计划 2025 年小批量量产