超声波传感器(标准)
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。
3.超声波传感器
为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传
感器。
2.磁致式超声波传感器
磁致式超声波传感器的结构如图所示，主要由铁磁材料和 线圈组成。超声波的发射原理是:把铁磁材料置于交变磁场中， 产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是:当超声波作用在 磁致材料上时，使磁致材料振动，引起内部磁场变化，根据电
在选择时，首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量
分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可， 如果是定量分析，那么必须获得精确量值。 但在某些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。例如，对 现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转 运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在
湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。光电传感 器的感光表面有尘埃或水泡时，会改变感光性质。对于磁电式传
感器或霍尔效应元件等，当在电场、磁场中工作时，亦会带来测
量误差。滑线电阻式传感器表面有灰尘时，将会引入噪声。
其二;要创造或保持一个良好的环境，在要求传感器长期地工
作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严
四、稳定性 传感器的稳定性是经过长期使用以后，其输出特性不发生变 化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题。
其一，根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感 器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使
用会产生蠕动现象等。又如，对电势输出。
3.超声波传感器的应用
利用超声波反射、折射、衰减等物理性质，可以实现液位、
流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。所以，超声
波传感器已广泛地应用于工业、农业、轻工业以及医疗等各技 术领域。
超声波传感器
1) 波束宽度的定义：典型应用，真实量程取决于安装条件。超声波传感 器中轴线的加长线上（垂直于传感器表面）的超声射线能量最大，以 此为轴线，能量减少一半（-3dB）处的圆锥范围内被称为波束角。
技术规格 操作模式 测量原理 输入 测量范围 输出 频率 波束角 精度 温度补偿 额定工作条件 压力 环境条件 • 环境温度
C) 7 M L 1 1 0 0 -
对化学品贮罐和液体容器，测量范围的物 ■ ■A ■0 位进行检测：最小 0.3 m，最大 10 m
过程连接
ETFE, 2"NPT [(Taper), ANSI/ASME B1.20.1] 0
ETFE, R 2"[(BSPT), EN 10226
1
ETFE, G 2"[(BSPP), EN ISO 228-1]
13 KHz 5°
1'' NPT
•铝 • 304 S.S • 聚酯涂料 • 硅树脂
•
液体
ST-H 10 m 0.3 m 73 °C -40 °C 化学储罐和 液体储罐 44 KHz 12°
1" 和 2'' NPT
ETFE • 可选：
PVDF
• • • •
42
概述
连续测量 — 超声波传感器
ST-H
过程连接
• 主要应用：水井、水槽、堰和滤池
选件 法兰型
法兰适配器
浸没罩 标准和认证
Echomax XRS-5
超声波传感器
0.3~8m，取决于应用场合
44 kHz 10 °
内置温度补偿
正常大气压
-20 ~ 65 °C
1.2 kg
超声波传感器工作原理
超声波传感器工作原理超声波传感器是一种常用的无接触式传感器，通过发射超声波并接收其反射信号来实现测量、距离和检测等功能。
在工业、汽车、医疗和消费电子等领域被广泛应用。
本文将介绍超声波传感器的工作原理。
超声波传感器的工作原理基于声波的特性。
声波是一种机械波，传播速度较快，频率一般在20kHz至200kHz之间。
传感器通过发射超声波并接收其反射信号，可以测量物体的距离、位置和速度等参数。
超声波传感器通常由发射器、接收器和控制电路组成。
发射器产生超声波，通常采用压电材料，如PZT（铅锆酸钛）晶体。
当施加电压时，PZT晶体会振动，并在其表面产生超声波。
超声波的频率可以根据应用的需求进行调整。
发射的超声波在空气中以声速传播，当超声波与物体相遇时，会发生反射。
接收器接收到反射的超声波，并将其转换成电信号。
接收器通常也是采用压电材料，同样是PZT晶体。
当超声波击打到PZT 晶体上时，晶体被压缩产生电荷，这个电信号被传送到控制电路。
控制电路对接收到的电信号进行处理，计算出超声波的往返时间。
根据声波的速度和往返时间，可以计算出物体与超声波传感器之间的距离。
传感器可以通过测量超声波的往返时间来检测物体的位置或移动速度。
超声波传感器具有高精度、快速响应和广泛的测量范围等优点。
它可以测量非常小的距离，例如几毫米，也可以测量较长的距离，例如几米。
这使得超声波传感器在许多应用中变得非常重要。
超声波传感器广泛应用于工业自动化中的测距和检测任务。
例如，在机器人操作中，超声波传感器可以帮助机器人感知并避开障碍物。
在汽车行业，超声波传感器用于倒车雷达系统，可以帮助驾驶员避免碰撞。
此外，超声波传感器还用于医疗行业的诊断设备和消费电子产品，如智能手机的距离检测。
尽管超声波传感器在许多应用中具有优势，但也存在一些限制。
例如，超声波的传播受到环境因素的影响，如温度、湿度和空气密度等。
此外，超声波传感器对目标物体的特性也有一定的要求，如目标物体必须具有足够的表面反射性。
超声波传感器工作原理
超声波传感器工作原理
超声波传感器的工作原理主要基于超声波的发射和接收。
它由发射器和接收器
两部分组成，发射器发出超声波脉冲，然后接收器接收被测物体反射回来的超声波，并计算出被测物体与传感器之间的距离。
超声波传感器的工作原理可以简单概括为发射-接收-计算-输出的过程。
首先，超声波传感器通过发射器发出一定频率的超声波脉冲。
这些超声波脉冲
在空气中传播，当遇到物体时会被反射回来。
接收器接收到被测物体反射回来的超声波，并记录下超声波的传播时间。
根据声速和传播时间的关系，可以计算出被测物体与传感器之间的距离。
超声波传感器的工作原理基于声波在空气中传播的特性。
声波在空气中传播的
速度是一个常数，约为340米/秒。
因此，通过测量超声波从发射到接收的时间，
可以计算出被测物体与传感器之间的距离。
这种测距原理简单而有效，使得超声波传感器成为测距和障碍物检测的理想选择。
除了测距外，超声波传感器还可以实现障碍物检测。
当有物体遮挡超声波的传
播路径时，接收器接收到的超声波信号会发生改变，从而可以判断出是否有障碍物存在。
这种障碍物检测的原理也是基于超声波的发射和接收，通过检测超声波的反射情况来判断是否有障碍物存在。
总的来说，超声波传感器的工作原理是基于超声波的发射和接收，利用声波在
空气中传播的特性实现距离测量和障碍物检测。
这种工作原理简单而有效，使得超声波传感器在各种领域得到广泛应用。
希望本文能够帮助读者更好地理解超声波传感器的工作原理，为相关领域的应用提供帮助。
超声波传感器 资料
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。
基于超声波特性研制的传感器称为“超声波传感器”，广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
中文名超声波传感器所属类别传感器物理学原理超声波的特性组件压电材料工作频率压电晶片的共振频率适用领域工业、国防、生物医学目录.1组成部分.2性能指标.▪工作频率.▪工作温度.▪灵敏度.▪指向性.3相关应用.▪主要应用.▪具体应用.4工作相关.▪工作原理.▪工作程式.▪工作模式.5系统构成.6检测方式.7检测好坏.8液位测试.9其他.▪区分.▪注意事项.▪暴露问题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（一个探头发射、一个探头接收）等。
性能指标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。
超声波传感器的主要性能指标包括：工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
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。
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。
超声波传感器介绍完整ppt
实现测距的函数解读
void ask_pin_F() // 量出前方距離 { digitalWrite(outputPin, LOW); // 讓超聲波發射低電壓 2μs delayMicroseconds(2); digitalWrite(outputPin, HIGH); // 讓超聲波發射高電壓 10μs，這裡 至少是 10μs delayMicroseconds(10); digitalWrite(outputPin, LOW); // 維持超聲波發射低電壓 float Fdistance = pulseIn(inputPin, HIGH); // 讀取相差時間 Fdistance= Fdistance/5.8/10; // 將時間轉為距離距离（單位：公分） Serial.print("F distance:"); //輸出距離（單位：公分） Serial.println(Fdistance); //顯示距離 Fspeedd = Fdistance; // 將距離 讀入 Fspeedd(前速) }
超声波传感器介绍
超声波测距模块
• 超声波传感器有四 个脚
• VCC 接+5V • TRIQ 信号输入 • ECHO 信号输出 • GND 接地
超声波测距模块的工作原理
(1)采用IO 触发测距，trig脚给出至少10us 的高电平信号; (2)模块自动发送8个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； (3)有信号返回，通过IO 输出一高电平，高电平持续的时间就是超
声波从发射到返回的时间． (4)在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口
变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,从 而可算出距离： 测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2
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
③ 超声波的反射和折射。当超声波从一种介 质传6-7所示。其中，能 返回原介质的称为反射波；透过介质表面，能 在另一种介质内继续传播的称为折射波。在某 种情况下，超声波还能产生表面波。各种波型 都符合反射和折射定律。
④ 超声波的衰减。超声波在介质中传播时， 随着距离的增加，能量逐渐衰减，衰减的程度 与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。
图6-6 声波频率范围
（2）超声波的基本特性 ① 超声波的波形。 声源在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向不 同，声波的波形则不同。依据超声场中质点的振动与 声能量传播方向的不同，超声波的波形一般分为三种。 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致的波，它 能在固体、液体和气体介质中传播。 横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向的波，它 只能在固体介质中传播。 表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，表面波沿 着介质表面传播，其振幅随深度的增加而迅速衰减， 表面波只在固体的表面传播。
（3）超声波传感器的工作原理 ）
当从超声波发射探头输入频率为40kHz的脉冲 电信号时，压电晶体因变形而产生振动，振动 频率在20kHz以上，由此形成了超声波，该超 声波经锥形共振盘共振放大后定向发射出去； 接收探头接收到发射的超声波信号后，促使压 电晶片变形而产生电信号，通过放大器放大电 信号。
三、超声波传感器的测量电路
1．超声波传感器的等效电路 超声波传感器的等效电路如图6-8所示。其中，图6-8 （a）所示为超声波传感器的电气符号，图6-8（b） 所示为超声波传感器的等效电路，Ra 为介电损耗内 电阻，Ca为压电元件两表面间的极间电容，Cg、Lg、 Rg分别为机械共振回路的等效电容、电感和电阻。
技能训练六 超声波传感器
人民邮电出版社 主编 彭学勤
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。
ultrasonic_transducer
S15C.pdf 04.12.3
2 结构与工作原理
当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机 械变形。 另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。 利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个 金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电 信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电 晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。 基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
1. 开放型超声波传感器
如超声波传感器示意图所示 (图2)，一个复合式振动器被灵 活地固定在底座上。 该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶 瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈 喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并 且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。 图3 显示的是复合式振动器的振动有限元素法模拟图。
超声波是一种人耳无法听到的、频率一般超过20kHz的声音。 超声波的基本特性如下所述：
1
1. 波长与辐射
波的传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度 是3×108m/s，而声波在空气中的传播速度很慢，约为344 m/s (20℃时)。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这 就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。 正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测 量时获得很高的精确度。超声波设备的外表面尺寸易于获得 精确的辐射。
2. 反射
要探测某个物体是否存在，超声波就能够在该物体上得到反 射。 由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎 100％的超声波，因此我们可以很容易地发现这些物体。 由于布、棉花、绒毛等可以吸收超声波，因此很难利用超声 波探测到它们。同时，由于不规则反射，通常可能很难探测 到表面振动幅度很大的物体。
超声波测距传感器的设计与特性分析
超声波测距传感器的设计与特性分析随着科技的不断发展，越来越多的电子设备和产品出现在我们的生活中，成为我们必不可少的一部分。
而超声波测距传感器作为一种非常重要的感应器，近年来受到越来越多的瞩目。
它主要利用声波的反射原理，将发射出去的超声波在空气中传播，如果遇到障碍物则会反射回来，传感器就可以通过接收到回波的时间来计算出被测物体的距离。
本文将详细介绍超声波测距传感器的设计和特性分析。
1. 工作原理超声波测距传感器利用超声波在空气中传播的原理来测量距离。
它主要由发射器、接收器和处理电路组成。
首先，发射器会产生一定频率的超声波并发送出去，当这个声波碰到障碍物时，就会被反射回来，传回接收器。
接收器会将接收到的原始信号转换成数字信号，这个数字信号会被处理电路接收并处理，最终计算出被测物体与传感器之间的距离。
2. 设计要求超声波测距传感器的设计需求主要包括以下几个方面：（1）频率范围：超声波传感器工作所需的频率主要在20kHz至200kHz之间，因此，传感器的电路设计需要具有在这个频率范围内工作的能力。
（2）发射和接收灵敏度：设计者需要保证传感器的发射和接收灵敏度。
发射器需要具有足够的功率去发射超声波，而接收器需要接受足够灵敏的信号。
（3）精度和分辨率：超声波测距传感器对于测量距离的精度和分辨率非常重要。
设计者需要保证传感器在测量物体距离时的精度和分辨率都能够满足要求。
（4）防电磁干扰：在设计超声波测距传感器的时候，需要考虑到电磁干扰的因素。
在电路设计时，需要采取相应的措施来降低电磁干扰对超声波信号的干扰。
3. 设计方案超声波测距传感器的设计方案包括电路设计、 PCB 设计和外形尺寸等。
（1）电路设计超声波测距传感器的电路设计主要包括发射器、接收器和处理电路。
发射器需要产生高频超声波信号，并将信号发送出去。
接收器需要将接收到的超声波信号转换为数字信号并作为处理电路的输入。
处理电路需要计算出接收到的信号的时间，以此来确定被测物体与传感器之间的距离。
超声波传感[精华]
![超声波传感[精华]](https://img.taocdn.com/s3/m/ba3a922c6d85ec3a87c24028915f804d2b16877c.png)
超声波传感[精华]超声波传感器应用超声波传感器应用分两种形式，一种是发射和接收传感器分置被测物两侧，称为透射型，可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等;另一种是发射和接收传感器同置被测物一侧，称为反射型，可用于接近开关、测距、测液位、测流量、料位、金属探伤以及测厚等，如图20-13所示。
按超声波的波形分，超声波又可分为连续超声波和脉冲波。
连续超声波是指持续时间较长的超声振动波。
而脉冲波则是持续时间仅有几十个往复脉冲的振动波。
为了减少干扰，超声波传感器大多采用脉冲波形式。
一、超声波测厚如图20-14所示。
从图中可看出，双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲，经探头底部设置的延迟块延时后进入被测体，在到达被测体底分界面时，被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。
这样只要检测出从发射脉冲波到接收脉冲波的所需时间t(扣除两次延迟时间)，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲波在被测体所经过的来回距离，也就代表了被测体的两倍厚度δ，即式中 t——测量时间;t——延时。
0二、超声波测介质密度如图20-15所示。
与测厚原理类似，当检测出从发射脉冲波到接收脉冲波的所需时间t(扣除两次延迟时间)后，根据封闭管道直径D以及公式(20-8)，可求出超声波在被测流体中的声速。
由实验证明，该速度与流体的密度有关，当声阻抗Z一定时，声速和密度ρ成反比。
显然，式(20 -1)的严格物理条件应为介质均一才能保证声阻抗Z恒定。
实际工业测量尤其是石油行业的被测介质绝大部分是混合相，声阻抗Z、声速C以及密度p均为变量，不满足式(20-1)的数学定义，所以采用超声波测量密度必须由实验决定。
原油输送中的油水混合相经过工艺处理，一般情况下水仅占总体积量的千分之几，在测量误差允许范围内可认为混合相声阻抗近似等于原油声阻抗Z。
确定方法有两种:一是取一定容积的具有代表性的原油置于几何尺寸一定的容器内且密度已知、介质静止，采用测厚法求出声速c，然后通过式(20-1)计算出原油声阻抗Z。
超声波传感器的原理
超声波传感器的原理超声波传感器是一种常用的非接触式测距传感器，它利用超声波的特性来实现距离测量。
超声波传感器的原理主要基于声波在空气中的传播和反射，通过测量超声波从发射到接收所经历的时间来计算目标物体与传感器的距离。
接下来，我们将详细介绍超声波传感器的原理及其工作过程。
首先，超声波传感器由发射器和接收器两部分组成。
发射器会产生一系列超声波脉冲，这些脉冲经过空气传播并与目标物体发生反射。
接收器接收到反射回来的超声波，并将其转换为电信号。
然后，通过测量超声波从发射到接收所经历的时间，我们可以得到目标物体与传感器之间的距离。
其次，超声波传感器的原理基于声波在空气中的传播速度是已知的。
在标准大气压下，声波在空气中的传播速度约为343米/秒。
因此，我们可以利用已知的声速和超声波的往返时间来计算目标物体与传感器之间的距离。
具体计算公式如下：距离 = (声速×往返时间) / 2。
其中，往返时间是超声波从发射到接收所经历的时间，除以2是因为要考虑到超声波的往返过程。
最后，超声波传感器的工作过程可以简单描述为，首先，发射器发出一系列超声波脉冲；然后，这些脉冲经过空气传播并与目标物体发生反射；接收器接收到反射回来的超声波，并将其转换为电信号；最后，通过测量超声波的往返时间，我们可以计算出目标物体与传感器的距离。
总之，超声波传感器的原理主要基于声波在空气中的传播和反射，通过测量超声波的往返时间来实现距离测量。
它具有测距精度高、测量范围广、响应速度快等优点，因此在工业自动化、智能车辆、机器人等领域得到了广泛的应用。
希望本文能够帮助大家更好地理解超声波传感器的原理和工作过程。
超声波传感器(标准)
β
折射波
c1—入射声波速； c2—折射声波速 入射声波速； 入射声波速 折射声波速
第九章 超声波传感器
4、声波的衰减 、
超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加， 超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能 量逐渐衰减。 量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为
P = P0 e
−αx
I = I 0 e −2αx
v=
L ∆t L ∆t L ∆t = = 2 cos θt1t 2 2 cos θt1 (t 2 − t1 + t1 ) 2 cos θt1 ( ∆t + t1 )
式中， 为常数 只要测出顺流传播时间t1和时间差 ， 为常数， 和时间差∆ 式中，L/2为常数，只要测出顺流传播时间 和时间差∆t，就能 求出v，进而求得流量，这就避免了测声速c的困难 的困难。 求出 ，进而求得流量，这就避免了测声速 的困难。这种方法还不 受温度的影响，容易得到可靠的数据。 受温度的影响，容易得到可靠的数据。因为两式相减即双向声速之 故称此法为速差法 速差法。 差，故称此法为速差法。
L t1 = c + v cos θ
B发射而 接收时，逆流传播，速度慢、时间长，即 发射而A接收 发射而 接收时 逆流传播，速度慢、时间长，
L t2 = c − v cos θ
式中， 两换能器间传播离； 式中，L — 两换能器间传播离； c 一 超声波在静止流体中的速度； 超声波在静止流体中的速度； v 一 被测流体的平均流速。 被测流体的平均流速。
第九章 超声波传感器 （1）穿透法探伤 ） • 优点：指示简单， 优点：指示简单， 适用于自动探伤； 适用于自动探伤； 可避免盲区， 可避免盲区，适宜 探测薄板。 探测薄板。 • 缺点：探测灵敏度 缺点： 较低， 较低，不能发现小 缺陷； 缺陷；根据能量的 变化可判断有无缺 但不能定位； 陷，但不能定位； 对两探头的相对位 置要求较高。 置要求较高。
超声波传感器性能指标测试技术
说明书一种超声波传感器指标检测技术技术领域本发明涉及超声波传感器指标检测技术。
背景技术超声波传感器是一种压电陶瓷器件，它通过压电效应来实现机械能和电能的双向转换。
它的传播速度为344m/s(25度)工作频率一般在20kHz～200kHz,通过反射及多谱勒效应来确定障碍物的距离及相对速度。
探测距离一般在1米～2米.它广泛地应用在倒车声纳、防盗报警、流量计、停车计时、自动门等产品系统中。
超声波传感器系统的详细工作流程为：控制器通过驱动电路驱动超声波传感器（收发一体集成式）通过压电转换，发出一束短促的、固定频率的超声波信号，当这束超声波脉冲遇到障碍物时就会发生反射，接收传感器将会收到反射的机械回波，再通过压电转换，回波电信号经过放大、滤波、检波等处理后，控制器根据发射超声波与接收到反射回波之间的时间间隔，计算出传感器与障碍物之间的距离。
以下为它的一些主要参数：声压特性声压(SPL)是表示传感器发射音量大小的参数。
用下列公式表示：SPL=20logP/Pre(dB)“P”为有效声压，“Pre”为参考声压（2×10-4ubar），超声波传感器的发射声压一般为≧100dB.灵敏度灵敏度是表示传感器接收能力强弱的参数，用如下公式表示：20logE/P(dB)“E”为产生的电压值（VRMS），“P”为输入的声压（ubar）。
超声波传感器的灵敏度一般为-60dB~-85dB.探测包络传感器的可探测区域是不规则的，一般在正后方最强，距离越远衰减越快；在斜方向的反射较弱，总体可探测区域呈扇形分布。
常规超声波传感器的检测流程如下：1、设置一个屏蔽箱，在屏蔽箱内指定的最远探测距离位置(1.5m～2米m)放一个标准测试杆，一般为￠75mm的PVC管，将待调试的传感器模块放入测试架，接上示波器。
2.系统上电，调整传感器板的可调中周，使中周与传感器内部的等效电容产生特定频率的谐振并达到最佳点；再调试传感器板的回波灵敏度（一般通过可调电阻），通过示波器观察障碍物的回波宽度达到要求的值。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
值得注意的是，一般液体中的声速往往1500m/s左
右，而流体流速只有每秒几米，如要求流速测量的精度
达到1％，则对声速测量的精度需为10-5～10-6数量级， 这是难以做到的。更何况声速受温度的影响不容易忽
略，所以直接利用 v=c2t/2L不易实现流量的精确测量。
速差法
t1
L c v cos L t2 c v cos
• 压电探头主要通过压电晶片将超声振动转换为电 信号
第九章 超声波传感器
• 目前市场销售的超声波传感器有两种形式： 专用 型 、兼用型 • 通常标谐振中心频率有： 23KHz、40KHz、75KHz、200 KHz、400 KHz。 • 超声波传感器有发射、接收两部分 • 发射元件；利用压电材料的逆压电效应，将高频 电振动转 换为机械振动产生超声波； • 接收元件；利用压电材料正压电效应，将超声波 振动转换 为电信号。
第九章 超声波传感器
5、超声波与介质的相互作用
• 机械效应
超声波可以引起质点的运动
• 空化效应
一般表现在液体中微气泡的振动
• 热效应
介质吸收超声波的能量
第九章 超声波传感器
二、超声波传感器
1、定义：
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获超声波探头。
• 应用：超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、
f f 2 f1 2v cos f1 c
超声波传感器的典型应用
液位测量
储油罐分选
绞筒直径
- 绞筒直径 - 整理控制 - 绕线 / 停止绕线 调控
堆置高度控制
为计数或安全目的，进行人员探测
厚度测量
高度的分选和移动
位置监测
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。
第九章 超声波传感器
2、分类
• 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
• 各种超声波传感器 产品
第九章 超声波传感器
3、压电式探头
• 超声波传感器大多数利用压电材料制成，逆压电 效应将电振动转换成机械振动产生超声波，作为 发射探头；正压电效应将超声波转换成电信号， 作为接收探头。
E — 杨氏模量； — 泊松比； G —剪切弹性模量。
0.9c横
第九章 超声波传感器
3、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
介质1 介质2
′
界面
（2）折射定律
sin c1 sin c2
折射波
c1—入射声波速； c2—折射声波速
第九章 超声波传感器
第九章 超声波传感器
2、超声波的波型及其转换和波速
• 纵波：质点的振动方向
与波的传播方向一致。 （固、液、气）
L
1 2
S1
L1
• 横波：质点的振动方向
垂直于波的传播方向。 （固）
介质1 介质2
界面 L2 S2
• 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）
4、声波的衰减
超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能 量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为
P P0 e I I 0e
x
2x
P0、I0— 声波在x=0处的声压和声强； P、I — 声波在x处的声压和声强； — 衰减系数。
• 应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆 的浓度等。
超声波流量传感器工作原理
第九章 超声波传感器
C —— 超声在流体中的速度；
传感器A
V —— 流体的平均流速。
θ
D
v
传感器B 超声波传感器安装位置
时差法
在管道的两侧斜向安装两个超声换能器，使其轴线重 合在一条斜线上，如图，当换能器A发射、B接收时，声 波基本上顺流传播，速度快、时间短，可表示为
L t1 c v cos
• 超声波传感器使用时的两种形式：反射式 （TX）直射式（RX )
• 在超声波发送器施加40KHz电压，通过逆压 电效应，送出超声波信号。接收探头经正压 电效应将接收到的信号放大处理。
第九章 超声波传感器
三、超声波传感器的应用
1、超声波测厚
脉测厚
c+vcos=L/t1 cvcos=L/t2
以上两式相减，得 2vcos=L/t1L/t2=L(t2t1)/t1t2 将顺流与逆流的传播时间差t代人上式得
Lt Lt Lt v 2 cost1t 2 2 cost1 (t 2 t1 t1 ) 2 cost1 (t t1 )
穿透法探伤原理
第九章 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
第九章 超声波传感器 （3）多次脉冲反射法
多次脉冲反射法探伤原理
第九章 超声波传感器
3、超声流量计
• 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。
式中，L/2为常数，只要测出顺流传播时间t1和时间差t，就能 求出v，进而求得流量，这就避免了测声速c的困难。这种方法还不受 温度的影响，容易得到可靠的数据。因为两式相减即双向声速之差， 故称此法为速差法。
多普勒法
发射探头A和接收探头B，安装在与管道轴线夹角为的 两侧，都迎着流向，平均流速v，声波在静止流体中的速 度为c，根据多普勒效应，接收到的超声波频率(靠流体里 的悬浮颗粒或气泡反射而来)f2将比原发射频率f1略高，f 即多普勒频移。
B发射而A接收时，逆流传播，速度慢、时间长，即
L t2 c v cos
式中，L — 两换能器间传播距离； c 一 超声波在静止流体中的速度； v 一 被测流体的平均流速。
两种方向传播的时间差t为
2 Lv cos t t 2 t1 2 c v 2 cos 2
因v c，故v2可忽略，故得 t=2Lvcos/c2 或 v=c2t/2Lcos 当流体中的声速c为常数时，流体的流速v与t成正比， 测出时间差即可求出流速v，进而得到流量。
第九章 超声波传感器
一、概述
• 基本原理：利用某种待测的非声量与某些描述媒质声
学特性的超声量之间存在着的直接或间接的关系。
• 测量对象：密度、流量、液位、厚度、缺陷等
1、超声波及其基本特性 • 波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。 频率：次声波、声波、超声波、微波 次声波：低于16 Hz的机械波； 声波：其频率在16~2×104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波； 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；
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。
第九章 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。
声速＝ 弹性率 密度
在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为
1 c纵＝ (1 )(1－2 ) E 1 G c横＝ ＝ 2(1 ) c表面 0.9 G E
脉冲发送电路
主控制器 接收电路
探头
计数电路
标准振荡电路
第九章 超声波传感器
2、液位测量
通过测量发射和接收信号之间的时间差测距离。
h
超声波物位传感器检测框图
第九章 超声波传感器
液位计
第九章 超声波传感器
3、超声波探伤 • 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。
• 工作原理：传播时间法、多普勒（效应）法；
波束偏移法、相关法等。
第九章 超声波传感器
在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和 接收探头（F1，T1）、（F2，T2）。其中（F1，T1）的超声波 是顺流传播的，而（F2，T2）的超声波是逆流传播的。根据这 两束超声波在液体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上 超声波传播的时间差t、相位差φ 或频率差f等方法，可测 量出流体的平均速度及流量。
• 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。
第九章 超声波传感器 （1）穿透法探伤 • 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。