传感器原理与检测技术第11章 超声波传感器
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对于探伤工作频率的选择主要考虑两个方面: 一、对缺陷的分辨能力 二、是探测深度。
4．声纳
声纳是利用水声传播特性对水中目标进行传感探 测的技术设备，用于搜索、测定、识别和跟踪潜艇 和其他水中目标
工作方式
被动式声纳: 隐蔽性、保密性好，识 别目标能力强，侦察距
离远
主动式声纳: 可以探测静止无声的 目标，并能测出其方 位和距离
2、超声换能器中的阻尼块起什么作用？ 3、超声传感器进行物位检测有哪几种方式？ 举
例说明其应用情况。
（2）采用超声波传感器设计实现机器人自动避障。 （画出检测示意图、说明检测原理）。
第 11 章 小 结
1、超声波的概念 2、超声波在介质中传播的波型取决于介质本身的固
有特性和边界条件 3、利用超声波传感器可实现对物位、液位、流量、
速度、浓度、厚度等多种被测量的测量
习题
1、影响超声波的传播速度的有哪些因素？
超 声 波传 感 器 2
B1
B2
L
电路
管道
2．超声波物体/物位检测
超声发射器
被测物体
超声发射器
被测物体
超声接收器
（a） 直射型
（b）发射接收分离型
超声接收器 超声发射/接收器
被测物体
（c）反射型
3．锻件探伤 锻件是一种常用的构件，它一般承受很高的载荷，
制造成本也较高，因此对锻件的探伤要求是相当严格的。
第11章 超声波传感器
第一节 超声波及其物理性质 第二节 超声波传感器 第三节 超声波传感器应用
学习要求
1、熟悉超声波的传播特点 2、掌握超声波传感器的工作原理 3、掌握超声波传感器的特点和应用基本要领
第一节 超声波及其物理性质
次声波
声波
音乐 语言
超声波
0.25×106 探测
20×106
微波
101 102
（1）价格比风杯风速计要高很多 （2）操作比较复杂，长时间测量的时候出现的问题很多 （3）受温度的影响，因为温度影响波速
动脑筋想想
●考虑一下，图中所给出超声波物体 /物位检测形式，在实际生活中可以 用在哪些地方？
超声发射器
被测物体
超声接收器
超声发射器
被测物体
超声接收器
创新思考
（1）现在越来越多的家庭拥有了自己的小汽车，车 上配置的倒车防撞雷达多数是基于超声检测原理， 请你思考一下是如何实现这一功能的？（画出检测 示意图、说明检测原理）。
（2）按波型分类。按照在被探工件中产生的波 型可分为纵波探头、横波探头和表面波探头 （3）按入射声束方向分类。按入射波束方向可 分为直探头和斜探头。
（4）按晶片数目分类。按照探头中压电晶片的 数目可分为单晶探头、双晶探头和多晶片探头
2.2 超声换能器 超声波换能器主要由压电晶片组成，可发射及接收
超声波。
1．直式换能器
金属外壳 吸收块 保护膜
ຫໍສະໝຸດ Baidu
组成部分：压电晶片、阻
导电杆
尼块（吸收
接线片
块）、保护膜
压电晶片
2．斜式换能器 利用透声楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的 探头称为斜式换能器，简称斜探头。
接头
外壳
压电晶片
吸声材料
斜楔块
斜式换能器结构图
第三节 超声波传感器应用
1．超声波流量传感器
超 声 波传 感 器 1
入射波
反射波
α'
o
介质1 介质2
折射波
反射定律：入射角α 的正弦与反射 角α ′的正弦之比等于波速之比
折射定律：sin c1
sin c2
第二节 超声波传感器
把发射部分和接收部分均称为超声波换能器，也称为 超声波探头 2.1 超声探头的分类
（1）按工作原理分类。按照工作原理可分为压 电式、磁致伸缩式、电磁式等
5．超声测风速、风向
利用两对探头，水平方向垂直布置，测定 两个互相垂直方向的风速 结构形式 利用三对探头，空间方向互相垂直布置， 测定空间的三维风速
超声波风速计的优点：
（1）可以测量两个或者三个风向
（2）高精度
（3）测量距离短，但分辨率很高
（4）测量风速不受气压和潮湿度的影响
超声波风速计的缺点：
103
104
105
106
声波的频率界限图
107 f / Hz
1.1 超声波的波型及其传播速度 纵波：指质点振动方向与波的传播方向一致的波
横波：指质点振动方向垂直于传播方向的波
表面波：指质点的振动介于横波与纵波之间
超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关
超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应 力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为 ：
c 1
Ba
ρ 为介质的密度； Ba为绝对压缩系数
气体中的声速为344m/s、液体中声速在900～1900 m/s。
当液体温度、压强、成份发生变化时，会引起声速的变
化。
1.2 超声波的反射和折射
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
4．声纳
声纳是利用水声传播特性对水中目标进行传感探 测的技术设备，用于搜索、测定、识别和跟踪潜艇 和其他水中目标
工作方式
被动式声纳: 隐蔽性、保密性好，识 别目标能力强，侦察距
离远
主动式声纳: 可以探测静止无声的 目标，并能测出其方 位和距离
2、超声换能器中的阻尼块起什么作用？ 3、超声传感器进行物位检测有哪几种方式？ 举
例说明其应用情况。
（2）采用超声波传感器设计实现机器人自动避障。 （画出检测示意图、说明检测原理）。
第 11 章 小 结
1、超声波的概念 2、超声波在介质中传播的波型取决于介质本身的固
有特性和边界条件 3、利用超声波传感器可实现对物位、液位、流量、
速度、浓度、厚度等多种被测量的测量
习题
1、影响超声波的传播速度的有哪些因素？
超 声 波传 感 器 2
B1
B2
L
电路
管道
2．超声波物体/物位检测
超声发射器
被测物体
超声发射器
被测物体
超声接收器
（a） 直射型
（b）发射接收分离型
超声接收器 超声发射/接收器
被测物体
（c）反射型
3．锻件探伤 锻件是一种常用的构件，它一般承受很高的载荷，
制造成本也较高，因此对锻件的探伤要求是相当严格的。
第11章 超声波传感器
第一节 超声波及其物理性质 第二节 超声波传感器 第三节 超声波传感器应用
学习要求
1、熟悉超声波的传播特点 2、掌握超声波传感器的工作原理 3、掌握超声波传感器的特点和应用基本要领
第一节 超声波及其物理性质
次声波
声波
音乐 语言
超声波
0.25×106 探测
20×106
微波
101 102
（1）价格比风杯风速计要高很多 （2）操作比较复杂，长时间测量的时候出现的问题很多 （3）受温度的影响，因为温度影响波速
动脑筋想想
●考虑一下，图中所给出超声波物体 /物位检测形式，在实际生活中可以 用在哪些地方？
超声发射器
被测物体
超声接收器
超声发射器
被测物体
超声接收器
创新思考
（1）现在越来越多的家庭拥有了自己的小汽车，车 上配置的倒车防撞雷达多数是基于超声检测原理， 请你思考一下是如何实现这一功能的？（画出检测 示意图、说明检测原理）。
（2）按波型分类。按照在被探工件中产生的波 型可分为纵波探头、横波探头和表面波探头 （3）按入射声束方向分类。按入射波束方向可 分为直探头和斜探头。
（4）按晶片数目分类。按照探头中压电晶片的 数目可分为单晶探头、双晶探头和多晶片探头
2.2 超声换能器 超声波换能器主要由压电晶片组成，可发射及接收
超声波。
1．直式换能器
金属外壳 吸收块 保护膜
ຫໍສະໝຸດ Baidu
组成部分：压电晶片、阻
导电杆
尼块（吸收
接线片
块）、保护膜
压电晶片
2．斜式换能器 利用透声楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的 探头称为斜式换能器，简称斜探头。
接头
外壳
压电晶片
吸声材料
斜楔块
斜式换能器结构图
第三节 超声波传感器应用
1．超声波流量传感器
超 声 波传 感 器 1
入射波
反射波
α'
o
介质1 介质2
折射波
反射定律：入射角α 的正弦与反射 角α ′的正弦之比等于波速之比
折射定律：sin c1
sin c2
第二节 超声波传感器
把发射部分和接收部分均称为超声波换能器，也称为 超声波探头 2.1 超声探头的分类
（1）按工作原理分类。按照工作原理可分为压 电式、磁致伸缩式、电磁式等
5．超声测风速、风向
利用两对探头，水平方向垂直布置，测定 两个互相垂直方向的风速 结构形式 利用三对探头，空间方向互相垂直布置， 测定空间的三维风速
超声波风速计的优点：
（1）可以测量两个或者三个风向
（2）高精度
（3）测量距离短，但分辨率很高
（4）测量风速不受气压和潮湿度的影响
超声波风速计的缺点：
103
104
105
106
声波的频率界限图
107 f / Hz
1.1 超声波的波型及其传播速度 纵波：指质点振动方向与波的传播方向一致的波
横波：指质点振动方向垂直于传播方向的波
表面波：指质点的振动介于横波与纵波之间
超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关
超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应 力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为 ：
c 1
Ba
ρ 为介质的密度； Ba为绝对压缩系数
气体中的声速为344m/s、液体中声速在900～1900 m/s。
当液体温度、压强、成份发生变化时，会引起声速的变
化。
1.2 超声波的反射和折射
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