超声波传感器
超声波传感器
第1讲 超声波传感器的特性
测距离
第1讲 超声波传感器的特性
第1讲 超声波传感器的特性
测料位
第1讲 超声波传感器的特性
B扫描超声成像技术
第1讲 超声波传感器的特性
美国的维吉尼亚级潜艇
超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其
中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶
瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。 它是利用压电材料的压电效应 来工作的。 压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。 超声波发送器是利用逆向压电效应制成——即在压电元件上施加电压， 元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式 传播，传送给超声波接收器。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的
固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会 因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面 。
产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
第1讲 超声波传感器的特性
第1讲 超声波传感器的特性
压电式超声波传感器的基本工作原理
子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。
吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造 成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传 导进行热交换，导致声能的损耗。
第1讲 超声波传感器的特性
（二） 超声波传感器的特性 3.1 频率特性
接收超声波
发送超声波
第1讲 超声波传感器的特性
第1讲 超声波传感器的特性
超声波传感器
第1讲 超声波传感器的特性
（一） 超声波传感器的原理及结构
利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置 称为超声波传感器、探测器或换能器，也称为探头。
超声波传感器名词解释
超声波传感器名词解释
超声波传感器是一种利用超声波技术来探测距离和物体位置的
电子设备。
超声波传感器通过发射超声波，并根据接收到的反射信号来确定物体的位置和距离。
它们通常由一个发射器和一个接收器组成，并使用一组微控制器来处理和分析信号。
超声波传感器被广泛应用于许多不同的领域，包括汽车制造、机器人技术、医疗设备和安防系统等。
例如，在汽车制造中，超声波传感器可以用来检测车辆周围的障碍物，从而帮助司机避免碰撞。
在机器人技术中，超声波传感器可用于测量机器人周围的物体距离和位置，以便机器人能够避开障碍物。
在医疗设备中，超声波传感器可用于测量人体内部器官的位置和大小，以帮助医生进行诊断和治疗。
在安防系统中，超声波传感器可用于检测入侵者的位置和活动，并触发安全警报。
总之，超声波传感器是一种非常有用的技术，可以在许多不同的应用中发挥作用，为我们的日常生活带来更多的便利和安全。
- 1 -。
超声波传感器
1 C gL B a ：介质的密度 Ba：绝对压缩系数
1 2
（2）在固体中传播 纵波在固体中传播：与介质形状有关
E 细棒 Cq 1 2 薄板 4 1 K 1 2 E 1 3G 2 无限介质 Cq 1 1 2 E Cq
声波：其频率在16~2×104 Hz之间，能为人耳 所闻的机械波 次声波：低于16 Hz的机械波 超声波：高于2×104 Hz的机械波 微波：频率在3×108~3×1011 Hz之间的波
次声波 声波 音乐 语言 0.25×106 探测 超声波 20×106 微波
101
102
103
104
105
106
107
注意: 尽管传感器被污染也是一个需要考虑的因素，但超 声波传感器仍然能够在充满异物的操作环境中，卓越的完 成传感监测工作。
四、超声波传感器应用
1、超声波物位传感器
h
h 2a
单换能器 从发射到接收的时间 ： t = 2h/C 传感器到液面的距离： h = ct/2 双换能器 经过的路程： 2S = ct 液位高度：
f / Hz
基本原理：利用某些非声量的物理量（如密度、 流量等）与描述超声波媒质声学特性的超声量（声 速、衰减、声阻抗等）之间存在着直接或间接关系。 探索到这些规律，通过超声量的测定来测出某些被 测物理量。 测量对象：密度、流量、液位、厚度、缺陷等。
一、 超声波的波型及其传播速度
1、超声波波型
气流
目标物体
Fan
Sensor
• 气流会造成声波的偏转折射
环境应考虑因素
温度作用
冷
超声波传感器的基本参数
超声波传感器的基本参数1.发射器：发射器是超声波传感器中负责发射超声波信号的部分。
它通常由晶片、电路板和震动片等组成。
发射器的基本参数包括工作频率、发射角度和功率。
工作频率是指超声波信号的频率，通常在20kHz到200kHz之间。
发射角度是指超声波信号的扩散角度，常见的有15度、30度和60度等。
功率是指发射器输出的超声波信号的功率大小。
2.接收器：接收器是超声波传感器中负责接收反射超声波信号的部分。
它通常由晶片、电路板和麦克风等组成。
接收器的基本参数包括灵敏度、带宽和信噪比。
灵敏度是指接收器对超声波信号的响应灵敏程度，通常以电压或电流来表示。
带宽是指接收器可接收的超声波信号的频率范围，通常为几十kHz到几百kHz。
信噪比是指接收器输出信号与噪声信号的比值，高信噪比可以提高传感器的精确度和可靠性。
3.控制器：控制器是超声波传感器中负责控制发射和接收的部分。
它通常由微控制器或专用集成电路组成。
控制器的基本参数包括工作电压、输出方式和通信接口。
工作电压是指控制器的供电电压范围，通常为3V到5V。
输出方式是指控制器输出测距或探测结果的方式，可以是模拟电压信号、数字信号或开关触发信号等。
通信接口是指控制器与外部设备进行数据交互的接口，通常有UART、I2C和SPI等。
超声波传感器的其他参数还包括测量范围、精度、响应时间和工作温度范围等。
测量范围是指超声波传感器能够测量的最大距离范围，一般为几厘米到几米。
精度是指超声波传感器测量结果与实际值之间的误差程度，通常以百分比或毫米为单位。
响应时间是指超声波传感器从发射超声波到接收并处理信号的时间，一般为几毫秒到几十毫秒。
工作温度范围是指超声波传感器能够正常工作的温度范围，通常为-40°C到+85°C。
超声波传感器的应用广泛，包括距离测量、避障、物体检测和流量测量等。
在工业自动化、智能家居、机器人和汽车领域都有广泛的应用。
通过了解超声波传感器的基本参数，可以更好地选择和使用超声波传感器，并将其应用于相应的领域中。
第七章超声波传感器
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各种双晶直探头
焦距范围：5~40mm, 频率范围：2.5~5MHz， 钢中折射角：45 ~70
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接触法双晶斜探头（续）
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水浸探头
（可用自来水作为耦合剂）
选择声透 镜形状，可决 定聚焦形式为 点聚焦或线聚 焦。
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超声波塑料 焊接机
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超声波金丝 焊接机
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超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在 遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和 折射现象，这一现象类似于光波。
便携式超声波 探鱼器
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超声波在医学检查 中的应用
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胎儿的 B超影像
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超声波测厚
双晶直探头中的压电晶片发射超声振 动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反 射回来，并被另一只压电晶片所接收。只 要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉
冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数 c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回 距离，再除以2，就得到厚度 ：
1 ct
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空气超声探头
1—外壳
5—引脚
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a） 超声发射器 b）超声接收器
2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片
6—阻抗匹配器 7—超声波束
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空气超声探头（续）
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空气超声探头外形
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34
空气超声探头外形（续）
超声波传感器概述
超声波传感器概述超声波传感器通常由超声波发射器和接收器组成。
发射器将电信号转换为超声波，并将其发射到目标物体上。
当超声波与目标物体接触时，一部分超声波会被目标物体反射回传感器，接收器会将接收到的超声波信号转换为电信号。
根据发送超声波和接收超声波之间的时间差，我们可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
超声波传感器的工作原理是利用声音在空气中传播的特性。
超声波的频率一般在20kHz到200kHz之间，超出了人耳的听觉范围。
超声波传感器具有高频率、短波长和强直线传播等特点，因此具有较高的测距精度和较远的测距范围。
超声波传感器的应用领域非常广泛。
在工业领域，超声波传感器可以用来测量物体的距离和位置，用于自动化装配、机械控制、仓储物流等方面。
在智能家居领域，超声波传感器可以用来检测人体、宠物等物体的位置和移动，用于智能安防、智能照明等应用。
在机器人领域，超声波传感器可以用来检测障碍物、墙壁等物体的距离，用于机器人导航、避障等方面。
超声波传感器的优点主要有以下几个方面。
首先，它是一种非接触式传感器，不需要与目标物体接触，避免了材料磨损和污染的问题。
其次，超声波传感器具有较高的测距精度和较远的测距范围，可以满足不同应用场景的需求。
再次，超声波传感器对于目标物体的形状、颜色等特征几乎没有要求，适用于多种物体的检测。
此外，超声波传感器体积小巧、功耗低，易于集成到各种设备中。
然而，超声波传感器也存在一些局限性。
首先，超声波传感器对于目标物体的表面材料有一定要求，例如吸声材料会减弱超声波的反射信号，造成测量误差。
其次，超声波传感器受到环境因素的影响较大，例如温度、湿度等变化会对传感器的测量结果产生影响。
总的来说，超声波传感器是一种常见且功能强大的传感器技术，被广泛应用于不同领域和场景中。
随着技术的不断进步，超声波传感器的测量精度、测量范围和适应性将进一步提高，为各个领域的应用带来更多可能性。
超声波传感器
（10 - 11）
在实际应用中, 超声波传感器安装在管道外部, 从管道外 面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动流体带来影 响, 如图10 - 6所表示。
超声波传感器
第19页
第7章超声波传感器
超声波传感器
第20页
第7章超声波传感器
超声波流量传感器含有不妨碍流体流动特点, 可测流体 种类很多, 不论是非导电流体、 高粘度流体、浆状流体, 只 要能传输超声波流体都能够进行测量。超声波流量计可用 来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量。 还可用于 下水道、农业浇灌、 河流等流速测量。
二、
超声波流量传感器测定原理是多样, 如传输速度改变法、 波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但当前应用较广 主要是超声波传输时间差法。
超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体中传输速 度是不一样, 利用这一特点能够求出流体速度, 再依据管道流体 截面积, 便可知道流体流量。
超声波传感器
第16页
和吸收, 在理想介质中,声波衰减仅来自于声波扩散, 即随声波 传输距离增加而引发声能减弱。散射衰减是固体介质中颗粒 界面或流体介质中悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质 导热性、粘滞性及弹性滞后造成, 介质吸收声能并转换为热能。
超声波传感器
第8页
第7章超声波传感器
7.2
利用超声波在超声场中物理特征和各种效应而研制装置 可称为超声波换能器、 探测器或传感器。
第7章超声波传感器
假如在流体中设置两个超声波传感器, 它们能够发射超
声波又能够接收超声波, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距
离为L。如图10 - 5所表示。如设顺流方向传输时间为t1, 逆流
方向传输时间为t2, 流体静止时超声波传输速度为c, 流体流动
超声波传感器的介绍
超声波传感器的介绍
超声波传感器的介绍
超声波传感器，也称为超声波探测器，是一种利用超声波的特性来测量距离和尺寸的传感器，它通过发射声波来测量物体的距离或尺寸，既可以用于测量固体物体的尺寸，也可以用于测量液体或气体的体积。
一般来说，超声波传感器将其探测范围分为三个不同的类别：室内探测（短程）、中程探测和远程探测。
短程探测距离一般在50cm以内，可以用来测量室内物体的高度或体积；中程探测距离意味着可以用来测量室外物体的高度或体积；而远程探测距离则可以超过数百米，用来测量物体的大小或位置。
由于通过超声波传感器可以检测到物体的尺寸和距离，因此它在工业自动化领域被广泛应用，比如机械组装厂的自动化系统中，可以用于检测零件的尺寸和位置，也可以用于车辆安全驾驶系统，来检测周围环境的距离等。
此外，超声波传感器还常用于现代的助记系统中，用来监控家用电器的用电情况，从而为家庭节能提供帮助。
总的来说，超声波传感器是一种用于测量物体距离、尺寸和体积的灵活高效的设备，在工业自动化、家用电器以及汽车安全等领域都有广泛的应用。
- 1 -。
超声波传感器(传感技术课件)
脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度 ：
1
=
2
超声波测厚石料测厚
某超声波测厚仪指标
显示方法∶128*32 LCD
点阵液晶显示（带背光）
显示位数：四位
测量范围：0.8~200mm
示值精度：0.1mm
声速范围：1000 ~ 9999m/s
测量周期：2次/秒
自动关机时间：90秒
超声波的指向性为超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象。
频率越高，指向角越小，越适合检测。
超声波传感器的特性
3、超声波传感器的温度特性：
一般说温度越高，中心频率、灵敏度、输出声压电平越低。
宽范围环境温度使用时，需温度补偿。
应用：超声波物位传感器
超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制
泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在一般使用条件下, 它的
测量误差为±0.1%, 检测物位的范围为10-2～104m。
应用：超声波测厚度
探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被
反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲
到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声
A型探伤超声探伤的计算
设：显示器的x轴为10s/div (格)，现测得B
波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。
已知纵波在钢板中的声速CL=5.9×103m /s。
求：1）t 及tF ；
2）钢板的厚度及缺陷与表面的距离xF。
解：
1）t = 10s/div×6div=0.06ms
A型探伤的结果以二维坐标图形式给出。它的横坐标为时间轴，纵坐标为
超声波传感器
超声波传感器
一般声控电路所用的声源如掌声、哨声、喇叭声等声响，它的声频范围从几百赫兹到十几千赫兹，人耳所能听到的声频范围从20Hz-20kHz，超过20kHz即称为超声频，也称为超声波。
在声频范围内，自然界声音的种类极其丰富，因此一般声控电路受干扰产生误触发情况较多，可靠性较差。
虽然采取了某些措施，如选频等措施，但对某些场合仍不能适应要求。
而超声波由于它的干扰声源范围较小，而超声波发射、接收、换能元件本身对频率的响应又具有单峰特性，因此它的抗干扰性能较好。
超声波传感器是近年来出现的用于超声控制元件，它分为发射器和接收器。
发射器将电磁振荡转换为超声波向空间发射。
接收器将接收到的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。
常用的超声传感器有T40-XX 和R40-XX系列、UCM-40T、UCM-40R等。
其中T代表发射传感器，R代表接收传感器，它们都是成对使用的。
T/R40-XX系列超声传感器的外形及尺寸如图所示：
频率特性曲线见下图：
从以上的图中可以得知，它的声压能级、灵敏度在40kHz时最大，所以电路一般选用40kHz作为传感器的使用频率，这个系列的超声传感器电性能参数如表：
超声传感器的工作原理如下：当40KH的脉冲电信号由两引线输入后，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号向外发射出去。
发射出的超声波向空中四面八方直线传播，遇有障碍物后它可以发生反射。
接收器在收到由发射器传来的超声波后，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将声能转换为电脉冲信号，然后输入信号放大器，最后驱动执行器使电路动作。
注意管型和管脚正负极性。
超声波传感器
超声波传感器超声波传感器是一种利用超声波进行测量和探测的设备。
它通过发射超声波并接收回弹的信号来判断目标物体的距离、位置以及其他相关信息。
超声波传感器在工业自动化、机器人技术、智能车辆、医疗设备等领域有着广泛的应用。
一、工作原理超声波传感器工作原理基于声音的传播和回声的接收。
它通过发射超声波脉冲并测量波的回弹时间来计算目标物体与传感器之间的距离。
通过不断地测量和比对回弹时间，超声波传感器可以实现对目标物体的准确测量。
二、特点与应用1. 非接触式测量：超声波传感器可以在不接触目标物体的情况下进行测量，避免了传统测量方法中接触到物体带来的误差和影响。
2. 高精度测量：超声波传感器具有较高的测量精度，可以实现毫米级的测量精确度，满足对距离和位置等信息的精确需求。
3. 多功能应用：超声波传感器可以广泛应用于测距、障碍物检测、水位检测、液体测量等不同的领域和场景。
4. 反应速度快：超声波传感器的反应速度非常快，可以实现实时的测量和控制，适用于对时间要求较高的应用场景。
5. 抗干扰性强：超声波传感器对外界环境的干扰较强，具备良好的抗干扰能力，可以在复杂的环境中稳定地工作。
超声波传感器在工业领域中被广泛应用，例如在自动化生产线中的测距与定位、机器人技术中的障碍物检测与定位，以及无人驾驶领域中的环境感知等。
此外，超声波传感器还被应用于医疗设备领域，用于测量血流速度、心脏功能以及体内器官的位置等。
在智能车辆中，超声波传感器可用于实现自动泊车功能，通过测量车辆与停车位之间的距离，准确引导车辆进行泊车操作。
同时，它也可以用于避免与其他车辆或物体的碰撞，提高行驶的安全性。
总的来说，超声波传感器凭借其高精度、快速响应和多功能应用等特点，成为了现代工业和科技领域中不可或缺的重要设备。
随着技术的不断发展和创新，相信超声波传感器在更多的领域和场景中将发挥更重要的作用。
超声波传感器简介
超声波传感器基本介绍人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ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KHZ-几十MHZ。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置是声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。
组成部分超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
①性能指标超声波传感器超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。
超声波传感器及其应用
超声波传感器及其应用超声波传感器是一种能够利用超声波进行测距和检测物体的传感器。
它可以通过发射和接收超声波来测量物体与传感器之间的距离，广泛应用于工业、医疗、消费电子和汽车等领域。
本文将介绍超声波传感器的原理、结构和应用。
一、超声波传感器原理超声波传感器是利用超声波在空气或其他介质中传播的原理来实现测距和检测物体的传感器。
它通常由发射器、接收器和信号处理电路组成。
当发射器发射超声波时，超声波会在空气中传播，并当遇到物体时会被反射回来。
接收器接收到反射的超声波，并将接收到的信号通过信号处理电路进行处理，最终得到物体与传感器的距离。
超声波传感器工作的基本原理是利用超声波的发射和接收来实现测距和检测物体。
超声波是一种频率高于人类听觉范围的声波，通常在20kHz~200kHz的范围内。
由于超声波在空气或其他介质中的传播速度是已知的，因此可以通过发射超声波和测量超声波的反射时间来计算物体与传感器的距离。
超声波传感器的结构通常包括超声波发射器、超声波接收器和信号处理电路。
超声波发射器用于发射超声波，通常采用压电陶瓷等材料制成，当加上电压时可以产生超声波。
超声波接收器用于接收反射回来的超声波，通常也采用压电陶瓷等材料制成，可以将接收到的超声波转换为电信号。
信号处理电路用于处理接收到的电信号，通常包括放大、滤波、数字转换等功能，最终得到物体与传感器的距离。
超声波传感器的结构简单、稳定，其尺寸小、重量轻、功耗低，因此在各种应用场景中得到了广泛应用。
1. 工业领域超声波传感器在工业领域中应用广泛，主要用于测距、检测物体和流体的水平和倾斜等。
超声波传感器可以用于检测液体的液位，可以用于测量储罐内的液体高度，可以用于检测液体的流动情况等。
超声波传感器还可以用于测量物体与传感器之间的距离，可以用于检测物体的位置、形状、尺寸等。
由于超声波传感器具有非接触式测量、精度高、稳定可靠等优点，因此在工业领域中得到了广泛应用。
2. 医疗领域超声波传感器在医疗领域中应用广泛，主要用于医学成像、超声波治疗、医疗设备等。
超声波传感器的应用场景
超声波传感器的应用场景1、超声波传感器应用于辅助驾驶中的超声波目标检测，许多主要的汽车制造商和技术公司都在测试完全自动驾驶的自动驾驶汽车。
日产和通用汽车甚至将在道路上试运行自动驾驶汽车，这两种自动驾驶汽车以及结合了驾驶员辅助技术的人类驾驶汽车都广泛使用传感器来监控道路和周围环境。
例如超声波传感器可以检测相邻车道上的汽车以进行“盲点检测”，并在有人处于盲区时提醒驾驶员。
2、超声波传感器应用于距离的检测，超声波传感器可以通过检测汽车前后的汽车或其他物体何时危险地靠近来防止碰撞。
例如在停车时传感器可以监视汽车与墙壁或其他车辆的距离，并提醒你停车。
这同样适用于交通状况因为即使两个物体都在运动中，这些传感器也可以正常工作。
3、超声波传感器应用于直径检测，超声波传感器远离道路进入工厂，可以帮助保持自动化生产线的平稳运行。
使用印刷设施，例如那些印刷报纸或杂志页的设施，纸张通常以一卷开始，纸卷的直径随着纸张的使用会减小。
使用超声波传感器，该设备可以自动检测卷筒何时用完，因此他们可以准备将其更换为新的卷筒而不会损失生产率。
超声波传感器甚至可以与吸声材料一起使用，例如橡胶或填料。
4、超声波传感器应用于凹陷检测，超声波传感器还可以确保将可能在制造或其他工业环境中使用的任何传送带，电线或电缆放置在应有的位置。
电缆下垂会减慢或停止生产线，这些传感器可以自动检测这些物体是否运行均匀甚至需要拧紧。
超声波传感器可以发挥出难以置信的精确度，这意味着它们甚至可以检测到微小的缺陷或故障，更好的是在制造过程中可能产生的灰尘这样的微粒不会影响其感应能力。
5、超声波传感器应用于液位检测，这是食品生产行业中过程自动化的一个示例。
超声波传感器采用卫生设计并完全封装不锈钢，即使在处理食品时也能保持良好的性能。
例如它可以通过在混凝机中监测牛奶和凝乳酶的水平，来帮助乳品厂连续而不是分批生产奶酪，这样它就知道何时在另一端连续清除奶酪凝乳时提供更多这些成分。
超声波传感器
超声波传感器一、超声波概述声波是物体机械振动状态的传播形式。
超声波是指振动频率大于20000Hz 以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见 的声波叫做超声波。
声 波：频率在16~2×104Hz, 能为人耳所闻的机械波;次声波：低于16Hz 的机械波；微 波：频率在3×108~3×1011Hz 之间的波；超声波：高于2×104Hz 的机械波。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。
在工业中应用主要采用纵向振荡。
①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，能在固体、液体和气体介质中传播；②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，只能在固体介质中传播；③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减,且只在固体的表面传播。
超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。
超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，因此仅有纵波的传播，其传播速度c 为：ρ(介质的密度)、Ba (绝对压缩系数)都是温度的函数使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为E — 杨氏模量； μ — 泊松比；G —剪切弹性模量。
波型和声速的关系:固体：横波声速=1/2纵波声速;表面波声速=90%横波声速;气体：纵波声速 = 344m/s ；液体：纵波声速≈ 900～1900m/s另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。
超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。
声波从一种介质传播到另一种介质, 在两个介质的分界面上一部分声波被反射, 另一部分透射过界面, 在另一种介质内部继续传播。
超声波的反射和折射12sin sin c c αβ=介质1的入射波波速介质2的折射波波速波在界面产生折射 波在界面产生反射 'sin sin 入射波波速反射波波速a a =当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即当超声波垂直入射界面，即在α=β=0时，则反射系数和透射系数为若ρ2c2≈ρ1c1，则反射系数R ≈0，透射系数T ≈1，此时声波全部从第一介质透射入第二介质；若ρ2c2>>ρ1c1，反射系数R ≈1，则声波在界面上几乎全反射。
超声波传感器
英文名称：ultrasonic sensor定义：利用超声波检测技术，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。
超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
基本介绍超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。
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• 优点：指示简单，适 用于自动探伤；可避 免盲区，适宜探测薄 板。 • 缺点：探测灵敏度较 低，不能发现小缺陷； 根据能量的变化可判 断有无缺陷，但不能 定位；对两探头的相 对位置要求较高。
穿透法探伤原理
第7章 超声波传感器
（2）一次脉冲反射法
一次脉冲反射法探伤原理
第7章 超声波传感器
（3）多次脉冲反射法
导电 螺杆
金属 壳
接线 片
吸收 块
压电 晶片 保护 膜
压电式超声波传感器结构
第7章 超声波传感器 磁致伸缩式
d
~
~
图9.3.2 磁致伸缩超声波发生器 磁致伸缩式超声波传感器: 利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的 • 磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，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。 • 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。
第7章 超声波传感器
• 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、
气）
• 横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）
• 表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传
播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）
第7章 超声波传感器
第7章 超声波传感器 超声波的传播速度 取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。
表面波
c 0.9
G
纵波
c
E — 杨氏模量； — 泊松比； G —剪切弹性模量。
第7章 超声波传感器 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为 例，当蒸馏水温度在0～74℃时，声速随温度的升高而增加， 在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减 小。此外，水质、压强等也会引起声速的变化。 在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系： 通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速 的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速为900～ 1900m/s。
第7章 超声波传感器
B2
B2 L
v
传感器1
电路 超声波测流量原理图
传感器2
c—— 超声在流体中的速度
v—— 流体的平均流速
顺流
L t1 cv
逆流
t2
L cv
2 Lv t t2 t1 2 c v2
c2 t 由于c>>v, v 2L
第7章 超声波传感器
传感器1
c—— 超声在流体中的速度
超声波流量传感器工作原理
第7章 超声波传感器
超声波探伤传感器
• 穿透法探伤：
穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的 变化情况来判断工件内部质量。
• 反射法探伤：
反射法探伤是根据超声波在工件中反射情 况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分 为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。
第7章 超声波传感器 （1）穿透法探伤
地震发生后，能量通过波的形式传递，主要体现在纵波（P波）和横波（S波）上。
P波的传递速度快，达到每秒6公里左右，可通过固体、液体和空气介质传递，而横
波的传递速度慢一些，大约在每秒3.5公里，主要通过固体介质传递，两者属于体波 的范畴。与体波相对应的是表面波，面波沿着地表传播，因此从破坏力上看，表面 波的威胁最大，其次是横波和纵波。
d
第7章 超声波传感器 超声波振荡电路 数字式超声波振荡电路
振荡器产生的高频电压通过耦合电容CP供给超声波振子MA40S2S。CC4049的
H1和H2产生与超声波频率相对应的高频电压信号， H3～H6进行功率放大，再
经过耦合电容CP传给超声波振子MA40S2S。超声波振子若长时间加直流电 压，会使传感器特性明显变差， 因此，一般用交流电压通过耦合电容CP 供
介质2
折射波
c1—入射声波速, c2—折射声波速
第7章 超声波传感器 声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:
I r cos 2c2 I t 4 1c1 2c2 cos2 R T I 0 cos 1c1 I 0 ( 1c1 cos 2c2 )2 I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、透射波的声强； ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗。
第7章 超声波传感器
7.2 超声波传感器
能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声 波传感器，也称为超声波换能器或超声波探测器。 • 应用： 超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、
液位测量、超声清洗、超声医疗等。 • 特点： 精度高，被测物体不受影响，使用寿命长 • 结构： 直探头、斜探头、双探头和液浸探头 • 工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式
超声波传感器MA40S2S产生40 kHz能量的超声波。
第7章 超声波传感器
7.3 超声波传感器应用
超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的 反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器 接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面 的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。 根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为 单换能器：传感器发射和接收超声波使用同一个换能器 双换能器：传感器发射和接收各由一个换能器担任
1 ct 2
第7章 超声波传感器
高度的分选和移 动
第7章 超声波传感器
倒车雷达
第7章 超声波传感器
鱼群探测器
第7章 超声波传感器
超声波流量传感器
• 理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度 有关。 • 特点：超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。 • 工作原理：传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、 流动听声法等。 超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的 传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度， 再根据管道流体的截面积， 便可知道流体的流量。
式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强； x——声波与声源间的距离； α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。
声波衰减原因： 扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮 粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而 形成散射。 吸收衰减：由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩 擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导 致声能的损耗。
第7章 超声波传感器 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化
第7章 超声波传感器 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化
第7章 超声波传感器 超声波的反射和折射 （1）反射定律 当波速一致时
入射波 反射波
＝
（2）折射定律
'
介质1
′
界面
sin c1 sin c2
多次脉冲反射法探伤原理
第7章 超声波传感器
A
t
第7章 超声波传感器
案例：输油管检测检测机器人
第7章 超声波传感器 超声波测温传感器
第7章 超声波传感器
h
s
h
2a
ct h 2
h
(a ) 2a
h s a
2
s h
2
(b )
几种超声物位传感器的结构原理示意图
(a) 超声波在液体中传播； (b) 超声波在空气中传播
第7章 超声波传感器
第7章 超声波传感器
液位测量储油罐分选来自第7章 超声波传感器超声波液位计
第7章 超声波传感器 多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器
当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则
2 c2 1 4 1c1 2 c2 c1 1 R , T 2 c2 2 ( c c ) 1 1 2 2 1 1c1 若ρ2c2≈ρ1c1，R≈0，T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第 二介质； 若ρ2c2>>ρ1c1, R≈1，则声波几乎全反射，透射极少。 当ρ1c1>>ρ2c2，R≈1，声波几乎全反射。 在20℃水温时，故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。
MDARS-E型室外保安机器人
第7章 超声波传感器
为计数或安全目的，进行人员探测
第7章 超声波传感器
堆置高度控制
厚度测量
第7章 超声波传感器 超声波测厚
脉冲回波法检测厚度工作原理
第7章 超声波传感器
2 1
3
4
5
6 图9—10
1—双晶直探头 2—引线电缆
超声波测厚
4—反射波 5—试件 6—测厚显示器
给传感器。该电路通过调节R可改变振荡频率：
1 f0 (Hz ) 2.2 RC
第7章 超声波传感器
采用脉冲变压器的超声波振荡电路
采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用NPN晶 体管V放大频率可调振荡器OSC的输出信号，放大的信号经脉
冲变压器T升压为较高的交流电压供给超声波传感器MA40S2S。
L
1
2
S1
L1
介质1
介质2
界面 L2
S2
L—入射纵波； L1 —反射纵波； L2 —折射纵波 S1 —反射横波； S2—折射横波。
第7章 超声波传感器 超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰 减。其声压和声强的衰减规律为
ax 2ax Px Pe ， I I e 0 x 0
v—— 流体的平均流速