第七章超声波传感器共91页文档
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超声波传感器课件
数据处理与分析
使用相关软件对采集 到的数据进行处理和 分析。
数据处理与分析
数据清洗
去除异常值和噪声，确 保数据质量。
数据转换
将原始数据转换为更易 于分析的格式或图表。
数据分析
根据实验目的，对数据 进行统计分析或趋势分
析。
结果解释与结论
根据分析结果，得出结 论并解释实验现象。
06
问题与解答
常见问题及解决方案
02
03
04
工业自动化
用于检测生产线上的物体位置 和距离，实现自动化控制和定
位。
机器人技术
用于机器人导航、避障和定位 ，提高机器人的智能和自主性
。
医疗诊断
用于检测人体内部器官和病变 ，如超声成像和胎儿监测。
环境ห้องสมุดไป่ตู้测
用于检测空气污染、水质污染 等环境问题，实现环境监测和
保护。
02
超声波传感器的设计与制 造
气体检测
超声波传感器能够检测空气中的有害气体和粉尘，如一氧化碳、二氧化硫、PM2.5等。这对于保障公共安全和预 防环境污染具有重要意义。
工业自动化与智能制造
机器人定位
在工业自动化生产线上，超声波传感器常用于机器人的定位和避障。通过向目标物体发射超声波并接 收回声信号，机器人可以精确地判断出目标物体的距离和位置，从而实现高效、精准的操作。
VS
新工艺
新型工艺如纳米压印、光刻技术等在超声 波传感器的制造中得到应用，这些新工艺 能够实现更精细的加工和更高的集成度， 提高传感器的分辨率和响应速度。
多功能化与集成化的发展
多功能化
超声波传感器正朝着多功能化的方向发展， 除了基本的检测功能外，还集成了温度、湿 度、压力等多种传感器，实现多参数的检测 和监控。
超声波传感器
• 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。
超声波传感器资料
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
3.5 性能指标
1、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。 2、工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时 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。 3、灵敏度。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。
第1讲 超声波传感器的特性
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流 体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是浆状 流体， 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 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。 还适用 于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。
第1讲 超声波传感器的特性
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
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。 超声波接收器是利用正向压电效应制成——即接收到的超声波促使接收器 的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，就产生与超声波 频率相同的高频电压。 当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。
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
3.5 性能指标
1、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。 2、工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时 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。 3、灵敏度。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。
第1讲 超声波传感器的特性
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流 体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是浆状 流体， 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 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。 还适用 于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。
第1讲 超声波传感器的特性
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
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。 超声波接收器是利用正向压电效应制成——即接收到的超声波促使接收器 的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，就产生与超声波 频率相同的高频电压。 当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。
超声波传感器-PPT课件.ppt
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
原理简述
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。
超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传 感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感 器的接收器，从而使传感器检测到被测物。
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和 超声波测厚两种。
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
压电式超声波接收器是有时就用同一个换能兼做发生和 接受器两种用途。
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
压电陶瓷芯片
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
超 声 波 流 量 计 现 场 使 用
石料测量
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
原理简述
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。
超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传 感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感 器的接收器，从而使传感器检测到被测物。
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和 超声波测厚两种。
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
压电式超声波接收器是有时就用同一个换能兼做发生和 接受器两种用途。
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
压电陶瓷芯片
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
超 声 波 流 量 计 现 场 使 用
石料测量
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
超声波传感器
7.2.2超声波测液位 超声波测液位是利用回声原理进行工作的，如图7-9所示。当
超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过时间，后，探 头接收到从液面反射回来的回波脉冲。因此，探头到液面的 距离可由下式求出
L 1 ct 2
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7. 2 超声波传感器的应用
由此可见，只要知道超声波的传播速度，通过精确测量时间t 的方法，就可测量距离L。
或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而 定向传播，在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性 使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。 1.穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况来判别 工件内部质量的方法。穿透法用两个探头分别置于工件的相 对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连 续波，也可以是脉冲。其工作原理如图7-7所示。
超声波的速度。在各种不同的液体中是不同的。即使在同一 种液体中，由于温度、压力的不同，其值也是不同的。因为 液体中其他成分的存在及温度的影响都会使超声波速度发生 变化，引起测量的误差，故在精密测量时，要采取补偿措施。 利用这种方法也可测量料位。
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7.1 超声波传感器的原理
根据电磁感应原理，磁致伸缩材料上所绕线圈产生感应电动 势，将此电动势送至测量电路并记录显示，可得测量结果。 它的结构也与发生器类似。
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7. 2 超声波传感器的应用
7. 2. 1超声波探伤 对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，遇到杂质
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7.1 超声波传感器的原理
1.压电式超声波发生器 压电式超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应制成的。
常用的压电元件为石英晶体、压电陶瓷等在压电元件上施加 交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图7-5 所示。 压电材料的固有频率与晶片厚度d有关传感器的原理 7. 2 超声波传感器的应用
超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过时间，后，探 头接收到从液面反射回来的回波脉冲。因此，探头到液面的 距离可由下式求出
L 1 ct 2
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7. 2 超声波传感器的应用
由此可见，只要知道超声波的传播速度，通过精确测量时间t 的方法，就可测量距离L。
或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而 定向传播，在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性 使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。 1.穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况来判别 工件内部质量的方法。穿透法用两个探头分别置于工件的相 对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连 续波，也可以是脉冲。其工作原理如图7-7所示。
超声波的速度。在各种不同的液体中是不同的。即使在同一 种液体中，由于温度、压力的不同，其值也是不同的。因为 液体中其他成分的存在及温度的影响都会使超声波速度发生 变化，引起测量的误差，故在精密测量时，要采取补偿措施。 利用这种方法也可测量料位。
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7.1 超声波传感器的原理
根据电磁感应原理，磁致伸缩材料上所绕线圈产生感应电动 势，将此电动势送至测量电路并记录显示，可得测量结果。 它的结构也与发生器类似。
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7. 2 超声波传感器的应用
7. 2. 1超声波探伤 对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，遇到杂质
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7.1 超声波传感器的原理
1.压电式超声波发生器 压电式超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应制成的。
常用的压电元件为石英晶体、压电陶瓷等在压电元件上施加 交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图7-5 所示。 压电材料的固有频率与晶片厚度d有关传感器的原理 7. 2 超声波传感器的应用
超声波传感器
第7章超声波传感器
图10 - 4给出了几种超声物位传感器旳构造示意图。 超 声波发射和接受换能器可设置水中, 让超声波在液体中传播。 因为超声波在液体中衰减比较小, 所以虽然发生旳超声脉冲 幅度较小也能够传播。超声波发射和接受换能器也能够安装 在液面旳上方, 让超声波在空气中传播, 这种方式便于安装和 维修, 但超声波在空气中旳衰减比较厉害。
第7章超声波传感器
第7章超声波传感器
7.3 超声波传感器旳应用
一、 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旳分界面上 旳反射特征而制成旳。 假如从发射超声脉冲开始, 到接受换 能器接受到反射波为止旳这个时间间隔为已知, 就能够求出分 界面旳位置, 利用这种措施能够对物位进行测量。根据发射和 接受换能器旳功能, 传感器又可分为单换能器和双换能器。 单换能器旳传感器发射和接受超声波均使用一种换能器, 而双 换能器旳传感器发射和接受各由一种换能器担任。
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, 而以压电式最为常用。
压电式超声波探头常用旳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。它是利用压电材料旳压 电效应来工作旳: 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振 动, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将 超声振动波转换成电信号, 可用为接受探头。
散射和吸收, 在理想介质中,声波旳衰减仅来自于声波旳扩散, 即随声波传播距离增长而引起声能旳减弱。散射衰减是固体 介质中旳颗粒界面或流体介质中旳悬浮粒子使声波散射。吸 收衰减是由介质旳导热性、粘滞性及弹性滞后造成旳, 介质吸 收声能并转换为热能。
第7章超声波传感器
7.2
利用超声波在超声场中旳物理特征和多种效应而研制旳 装置可称为超声波换能器、 探测器或传感器。
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。
07第七章 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:
RIr I0
ccooss 21cc122
07.08.2020
24
TIt I0
(41c1c11co2cs2c2oc22)s2
式中：I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、透射波的声强；
α、β——分别为声波的入射角和折射角；
ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为 反射波和折射波的速度。
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 ， 透 射 极 少 。 同 理 ， 当 ρ1c1 >>ρ2c2时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。 如 ： 在 20℃ 水 温 时 ， 水 的 特 性 阻 抗 为 ρ1c1 =1.48×106kg/(m2·s), 空 气 的 特 性 阻 抗 为 ρ2c2 =0.000 429×106 kg/(m2·s), ρ1c1 >> ρ2c2, 故超声波从水介质中传 播至水气界面时， 将发生全反射。
07.08.2020
22
超声波的反射和折射
07.08.2020
23
由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与 反射角α′的正弦之比等于波速之比。 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
sin c1 sin c2
14
二、超声波的波型以及传播方式
声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波 的波型也不同。
通常有：
① 纵波：质点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；
RIr I0
ccooss 21cc122
07.08.2020
24
TIt I0
(41c1c11co2cs2c2oc22)s2
式中：I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、透射波的声强；
α、β——分别为声波的入射角和折射角；
ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为 反射波和折射波的速度。
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 ， 透 射 极 少 。 同 理 ， 当 ρ1c1 >>ρ2c2时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。 如 ： 在 20℃ 水 温 时 ， 水 的 特 性 阻 抗 为 ρ1c1 =1.48×106kg/(m2·s), 空 气 的 特 性 阻 抗 为 ρ2c2 =0.000 429×106 kg/(m2·s), ρ1c1 >> ρ2c2, 故超声波从水介质中传 播至水气界面时， 将发生全反射。
07.08.2020
22
超声波的反射和折射
07.08.2020
23
由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与 反射角α′的正弦之比等于波速之比。 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
sin c1 sin c2
14
二、超声波的波型以及传播方式
声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波 的波型也不同。
通常有：
① 纵波：质点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；
超声波传感器及应用PPT课件
无创无痛
实时监测
医学超声成像系统能够实时获取人体 内部结构的图像，有助于医生及时发 现病变并进行诊断。
医学超声成像系统具有无创、无痛、 无辐射的特点，对患者的身体不会造 成伤害，特别适合孕妇和儿童的检查。
工业无损检测技术
检测材料内部缺陷
工业无损检测技术利用超声波传感器对材料进行无损检测，能够 检测出材料内部的裂纹、气孔、夹杂物等缺陷。
工业检测
01
无损检测
超声波传感器在工业领域中广泛应用于无损检测，通过向材料发射超声
波并分析回声信号，可以检测材料内部是否存在缺陷、裂纹或气孔等问
题。这种检测方法具有高精度和高效率的特点。
02
流量和液位测量
超声波传感器可用于测量流体的流量和液位高度。通过测量超声波在流
体中传播的时间或频率，可以推算出流体的流速、流量或液位高度等信
此外，随着物联网、人工智能等技术的不断发展，超声波 传感器在智能感知和物联网领域的应用前景也值得进一步 探讨和研究。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
可以分为压电式、磁致伸 缩式、电磁式等类型的超 声波传感器。
按工作频率分类
可以分为低频、中频和高 频超声波传感器。
按用途分类
可以分为医用、工业用、 军用等不同类型的超声波 传感器。
03 超声波传感器的应用领域
医学诊断
医学诊断
超声波传感器在医学领域中广泛应用于诊断和监测。通过向人体发射超声波并接收其回声 ，可以无创地检测和评估器官、血管和组织的结构和功能。例如，超声心动图用于检测心 脏疾病，超声成像用于诊断腹部和妇科疾病。
降低成本与推广应用
批量生产与制造成本降低
通过优化生产工艺和实现规模化生产， 降低超声波传感器的制造成本，促进其 推广应用。
第7章 超声波传感器
2.多普勒法测量流量
如果波源和观察者之 间有相对运动，那么
观察者接收到的频率
和波源的频率就不相 同了，这种现象叫做 多普勒效应。测出f 就可得到运动速度。
前进方向的 频率升高
2.多普勒法测量流量
所谓多普勒效应（Doppler effect）是指运动物体迎着波源运动
时，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动物体背着
一、声波的分类的频率分布
7.1 超声波的物理基础 一、声波的分类
声波的分类：次声波、可闻声波与超声波。
频率高于20kHz的机械振动波称为超声波
（Ultrasonic）。
超声波的特性：指向性好，能量集中。
超声波的频率越高，其声场指向性就愈好，与光波的
反射、折射特性质中传播方向的不同 , 声
检测技术与故障诊断
第7章 超声波传感器
第7章 超声波传感器 Piezoelectric Sensors
电压、
窄脉冲
晶体材料
超声波
主要内容
7.1 超声波的物理基础 7.2 超声波的换能器及耦合技术
7.3 超声波传感器的应用
7.4 无损伤探测
7.5 工程项目设计实例：铁路钢轨探伤
7.1 超声波的物理基础
波源运动时，会产生相反的效应。 超声探头 F1 向流体发出频 率为f1的连续超声波，照射到 液体中的散射体（悬浮颗粒 或气泡）。 v为散射体的运动 速度，散射的超声波产生多 普勒频移fd，接收探头 F2接收 到频率为f2的超声波：
c v cos f 2 f1 c v cos
多普勒法测量流量示意图
材料 密度 声阻抗 纵波声速 cL/km· s-1 横波声速 cS/km· s-1 ρ/103kg· m-1 Z /MPa· s· m-1
自动检测技术及应用ppt课件第7 章超声波传感器
传感器及检测技术
• 细长棒中的纵波声速CLb 在细长棒中(棒径d≤λ)轴向传播的纵波声速与无限大 介质中纵波声速不同，细长棒中的纵波声速为：
• 声速与温度、应力、均匀性的关系 1）一般固体中的声速随介质温度升高而降低。 2）固体介质的应力状况对声速有一定的影响，一般应 力增加，声速增加，但增加缓慢。 3）固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁中表现较 为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速度不同而具有不 同的组织，表面冷却快，晶粒细，声速大；中心冷却慢， 晶粒粗，声速小。此外，铸铁中石墨含量和尺寸对声速 也有影响，石墨含量和尺寸增加，声速减少。
传播衰减小、距离远。在大自然的许多活动中伴随着次声波的发生，例如地 震、火箭起飞等。次声波近似平面波，沿着与地球表面平行的方向传播。 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
传感器及检测技术
次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的 机械波，在同一介质中的传播速度相同。
传感器及检测技术
横波S(T)（切变波） 1）介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的 波。 2）特点：当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产 生切变形变，从而形成横波。 3）传播介质：固体介质 表面波R（瑞利） 1）定义：当介质表面受到交变应力作用对，产生沿介 质表面传播的波。 2）特点：表面波在介质表面传播时，介质表面质点作 椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于 波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的 合成，即纵波与横波的合成。表面波的能量随传播深度 增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的 振幅就已经很小了。因此，一般认为，表面波探伤只能 发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。 3）传播介质：沿固体的表面传播。
超声波传感.doc
超声波传感器总述超声波传感器是用来测量物体的距离。
首先，超声波传感器会发射一组高频声波，一般为40-45KHz，当声波遇到物体后，就会被反弹回，并被接受到。
通过计算声波从发射到返回的时间，再乘以声波在媒介中的传播速度（344 米/秒，空气中），就可以获得物体相对于传感器的距离值了。
超声波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。
接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。
工作原理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）及纵和振荡（纵波）。
在工业中应用主要采用纵向振荡。
超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。
另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。
在空气中传播超声波，其频率较低，，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。
在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。
利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。
本机器人的超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。
发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测.而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。
控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
超声波传感器及其应用共66页文档
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
END
超声波传感器及其应用
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
超 声 波 传 感 器
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７.２ 超 声 波 传 感 器 的 应 用
• 超声波已被广泛地应用于工业各技术领域的非接触测 量。
• ７.２.１ 超声波探伤
• 对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，遇 到 杂 质 或 分 界 面 就 会 有 明 显 的 反射 ， 而 且 方 向 性 好 ， 能 成为射线而定向传播，在液体、固体中衰减小，穿透 本 领 大 。 这 些 特性 使 得 超 声 波 成 为 无 损 探 伤 方 面 的 重 要 工具。
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2.2常用电子仪器的介绍与使用
• 2. 2. 1示波器 • 示波器是一种用来观察各种周期性变化的电压和电流波形的电子仪
器.可用来测电压或电流的幅度、频率、相位、调制度及脉冲信号的 各种电参量。它是电工、电子实验中必不可少的常用电子测量仪器。
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2.2常用电子仪器的介绍与使用
• 1.示波器的种类 • 示波器的种类较多.主要有通用示波器和专用示波器两大类。按不
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７.２ 超 声 波 传 感 器 的 应 用
• １.穿 透 法 探 伤 • 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况
来 判 别 工 件 内 部 质 量 的 方 法 。 穿 透法 用 两 个 探 头 分 别 置 于工件的相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。 发 射 波 可 以 是 连续 波 ， 也 可 以 是 脉 冲 。 其 工 作 原 理 如 图 ７ －７ 所 示 。 • ２.反 射 法 探 伤 • 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同来探 测缺陷的方法。 • 下面以纵波的一次脉冲反射为例，说明其检测原理。
同的分类方法来分.有高频和低频示波器;有单踪、双踪和多踪示波器; 有取样、记忆和存储示波器;有数字示波器、逻辑或智能示波器。通 常使用通用示波器、多踪示波器。 • 2.示波器的工作原理 • 通用型示波器由示波管、垂直偏转系统、水平偏转系统、扫描发生 器、同步触发放入器及电源等主要部分组成.如图2-1所示。
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压电陶瓷的主要性能指标
1) 介电常数 ：1000~6000 2) 压电灵敏度D33 ：300~600pC/N 3) 机械品质因素Q：100~2000 4) 居里温度：300~400 C 5）静电容：1000 ~ 100000pF（与面积有关） 6）频率范围：
用于超声清洗：30~100KHz 用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz 用于雾化器：1~2MHz
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2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
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蝙蝠依靠超声波捕食
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超声波与可闻声波不 同，它可以被聚焦，具有 能量集中的特点。
超声波加湿器
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超声波雾化器
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压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下， 可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成 电路及塑料的焊接。
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聚焦探头原理及外形
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水浸聚焦探头
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超声波探头中的压电陶瓷芯片
将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效 应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经 被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波 转换成同频率的交变电荷和电压。
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耦合剂
超声探头与被测物体接触时，探头与被测物 体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界 面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大 的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉， 使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中， 经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满 在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦 合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化 学浆糊等。
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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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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各种超声波探头
（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
接触式直探头 （纵波垂直入射 到被检介质）
保护膜
外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。
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接插件
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接触式 直探头原理
超声脉冲电压
输入端
接地端
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接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）
接插件 底部耐磨材料
压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、 45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材 料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一 定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多 次反射，而传播到较远处去。
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超声波的波型分类
超声波的传播波型主要可分为 纵波、横波、表面波等几种。
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纵 波
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横波
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表面波
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第二节 超声波换能器及耦合技术
超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原 理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主 要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、 表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、 空气传导探头以及其他专用探头等。
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各种接触式斜探头
常用频率范围：1~5MHz
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接触法双晶直探头
发射晶片 接收晶片
将两个单晶探头组合 装配在同一壳体内，其中 一片发射超声波，另一片 接收超声波。两晶片之间 用一片吸声性能强、绝缘 性能好的薄片加以隔离。 双晶探头的结构虽然复杂 些，但检测精度比单晶直 探头高，且超声信号的反 射和接收的控制电路较单 晶直探头简单。
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聚焦探头
由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以 它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直 径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷， 这种探头称为聚焦探头。
聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波； 也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也 可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚 焦超声波。
第七章 超声波传感器
本章主要学习超声波的物 理特性，着重了解超声波在检 测技术中的一些应用，也涉及 无损探伤的设备及方法。
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概述： 声波的分类 1.次声波
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。
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超声波清洗原理及清洗器
（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）
气泡
Hale Waihona Puke 清洗物波浪超声换能器
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第一节 超声波物理基础
频率高于20kHz的机械振动波称为超声 波。它的指向性很好，能量集中，因此穿 透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量 损失不大。在遇到两种介质的分界面（例 如钢板与空气的交界面）时，能产生明显 的反射和折射现象，超声波的频率越高， 其声场指向性就愈好。
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超声波用于高效清洗
当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产 生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙 加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作 用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体 体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。 经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个 气泡的破裂会象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利 用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲 刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、 机械、玻璃、医疗仪器等行业。