超声波传感器

超声波传感器的实验报告

一、超声波传感器的定义：

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。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。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。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

超声波传感器的原理：

二、超声波传感器按其工作原理，可分为

1、压电式

2、磁致伸缩式

3、电磁式

压电式超声波传感器

压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。常用的敏感元件材料主要有压电晶体和压电陶瓷。

根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器（发射探头）和接收器（接收探头）两种，根据结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。

压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。

压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种用途。

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。

磁致伸缩式超声波传感器

铁磁材料在交变的磁场中沿着磁场方向产生伸缩的现象，称为磁致伸缩效应。磁致伸缩效应的强弱即材料伸长缩短的程度，因铁磁材料的不同而各异。镍的磁致伸缩效应最大，如果先加一定的直流磁场，再通以交变电流时，它可以工作在特性最好的区域。磁致伸缩传感器的材料除镍外，还有铁钻钒合金和含锌、镍的铁氧体。它们的工作效率范围较窄，仅在几万赫兹以内，但功率可达十万瓦，声强可达几千瓦每平方毫米，且能耐较高的温度。

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。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。

三、超声波传感器的应用：

1、在医学检测上的应用：B超

用于检测液位的超声波传感器：

●声波漫反射式接近传感器用于检测液位

●声波反射式设计用于检测远处的目标

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●声波接近传感器可有模拟量输出,可适用于精确的连续控制.

●模拟量输出信号和被测物距离的线性斜率可调,满足各种控制要求.

●声波接近传感器可有两个开关点设置,并可通过按钮方便的设置.

●方形和原柱形设计满足不同的现场安装要求.

2、超声波传感器在质检方面的应用——超声波探伤仪

超声波探伤仪主要应用于金属工件内部的质量检测，如检测金属是否有气泡，焊接部位是否有未焊透等缺陷等。

3、利用超声波测液位

超声波测液位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，就可以求出液面的高度。根据发射和接收换能器的功能，传感器可分为单换能器和双换能器。

超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播;超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，但超声波在空气中的衰减比较厉害。

4、利用超声波测厚度

用超声波测量金属零件、钢管等材料的厚度，具有测量精度高、测试仪器轻便、易于读数或实现连续自动检测等一些优点。但对于声衰减很大的材料，以及表面凹凸不平或形状很不规格的零件，超声波测量就很困难。

超声波测厚常用脉冲回波法，测厚原理是主控制器产生一定重复频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大激励压电式探头，以产生重复的超声脉冲，并耦合到被测工件中，脉冲传播到工件的另一面被反射回来，被同一探头接收。

5、利用超声波测流量

超声波流量计的形式有多种,但工业上最常用的有两种,一是传播时差法,二是多普勒法，两种流量计都用于液体测量。

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。

四、超声波传感器的前景展望：

1.超声波在农业中的应用及前景展望：

超声测定土壤中的铅；超声处理对种子萌发率的影响；超声处理对植物生长的影响；超声波犁田；超声除虫及促进蚕卵孵化。

2.超声波在矿物加工中的应用

超声波强化泡沫浮选；超声强化矿物浸取；超声强化过滤和脱水；超声用于强化选煤和脱硫。

3.超声波在军事上的应用：军事装备在储备状态下，储存于军事仓库，这些装备

在储备、训练、演习状态均免不了尘埃、污垢的吸附、污染，特别是一些复杂的兵器装备靠人工擦拭保养，难度较大，而一旦采用超声波清洗技术保养兵器装备，问题就迎刃而解。

五、超声波传感器的小结：

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。