原理_超声波传感器元件教学资料
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。
超声波传感器原理与特性
Ultrasonic sensor principles and characteristics
课程内容 Course Contents
1.1超声波传感器的定义 1.2超声波传感器的原理
1.3超声波传感器的结构
1.4超声波传感器的特性 1.5超声波传感器的性能指标
1.1超声波传感器的定义
正向压电效应
逆向压电效应。
1.3 超声波传感器的结构
超声波探头结构如图所示，它主要 由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护 膜、引线等组成。
导电螺杆 接线片
金属壳
吸收块
压电晶片多为圆板形，厚度为 δ 。 超声波频率 f与其厚度δ成反比。压电晶 片的两面镀有银层，作导电的极板。 阻尼块的作用：降低晶片的机械品 质，吸收声能量。如果没有阻尼块,当激 励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振 荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率 变差。
传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处灵敏 度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器 的接收灵敏度最高， 而在中心频率两侧则迅速衰减。
接收超声波
发送超声波
1.4 超声波传感器的特性
(2) 指向性特性
方向角(-6dB) ：从超声波传感器轴线到声压降6dB处的角度
1.4 超声波传感器的特性
1.5 超声波传感器的性能指标
超声波传感器-性能参数
THANK YOU
(3) 阻抗特性
并联谐振
阻抗
串联谐振 频率 超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱 动电压较高，是电压驱动型传感器。
1.5 超声波传感器的性能指标
（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。
超声波的传感器原理
超声波的传感器原理超声波传感器是一种利用超声波来测量距离、识别物体等的传感器。
它利用声波在介质中的传播和反射的原理来实现测距或者物体检测的功能。
以下是超声波传感器的原理详解。
超声波传感器主要由发射器和接收器组成。
发射器会发出一些特定频率的超声波，这些超声波在发出后会以声速在空气或其他介质中传播。
传播的超声波会遇到障碍物或被探测物体表面反射回来。
当传播的超声波遇到物体时，部分超声波会被物体吸收，部分会被物体表面反射回来。
超声波传感器的接收器会接收到这些反射回来的超声波，并将其转化成电信号。
接收到的电信号会被处理电路进行分析，根据信号的强度和时间来计算出物体与传感器之间的距离。
计算的方法一般采用声波传播时间与声波传播速度的乘积，也就是距离等于速度乘以时间。
传感器的工作原理可以通过以下步骤来说明：1. 发射器发出一束超声波信号。
2. 超声波信号在空气或其他介质中传播。
3. 当超声波信号遇到物体时，一部分被吸收，一部分被物体表面反射。
4. 接收器接收到反射回来的超声波信号，并将其转换成电信号。
5. 处理电路分析电信号，计算物体与传感器之间的距离。
超声波传感器的原理有以下几个特点：1. 无需光线：超声波传感器不依赖于光线，可以在暗无天日的环境中工作。
这使得它在一些特殊应用场景中特别有用，比如在黑暗的房间或夜间使用。
2. 响应速度快：超声波传感器的工作原理基于声速传播的物理规律，所以在响应速度上非常快。
它可以在毫秒级别内测量到物体与传感器之间的距离。
3. 非接触：超声波传感器的发射和接收过程都是非接触的，不会对被检测物体造成任何损害，因此适用于对物体进行距离测量和物体检测。
4. 测量范围广：超声波传感器可以测量的范围较大，一般在几厘米到几米之间。
这使它适用于不同尺寸的物体测量和障碍物检测。
需要注意的是，超声波传感器的精度和测距范围受多种因素影响，比如超声波的频率、功率、接收器的灵敏度等。
在实际应用中，应根据具体需求选择合适的超声波传感器，并根据实际情况进行调试和优化。
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。
《超声波传感器下》课件
参数指标
1 超声波传感器的灵敏 2 超声波传感器的解析 3 超声波传感器的工作
度
度
频率
灵敏度决定了超声波传感 器探测距离的精确性和范 围。
解析度是超声波传感器用 于测量距离时的最小分辨 单位。
工作频率决定了超声波传 感器在传输和接收信号时 的频率范围。
优缺点比较
超声波传感器的优点
非接触式测量、高精度、反射率较好、在不同环境 中工作可靠。
超声波传感器的缺点
受到环境的影响、测量范围受限、在吸音材料上无 法正常工作。
结语
1 超声波传感器的未来发展
随着技术的不断进步，超声波传感器在各个 领域的应用将会更加广泛和多样化。
2 要注意的事项
使用超声波传感器时要注意选择合适的工作 频率、距离与位移的调整和环境的影响等因 素。
应用场景
超声波传感器在智能 家居中的应用
超声波传感器可用于人体检测、 家具智能布置和智能安防系统 等智能家居场景。
超声波传感器在智能 交通中的交通流 量监测等智能交通场景。
超声波传感器在机器 人中的应用
超声波传感器可用于机器人导 航、避障和定位等机器人技术 中，提高机器人的感知能力。
《超声波传感器下》PPT 课件
欢迎大家来到本次关于超声波传感器的PPT课件。在这个课件中，我们将探索 超声波传感器的应用和工作原理，并了解它在智能家居、智能交通和机器人 等领域中的作用。
简介
1 什么是超声波传感器
超声波传感器是一种使用声波来测量距离的 装置，能够发送和接收超声波信号。
2 常用的超声波传感器
常见的超声波传感器包括单频超声波传感器、 多频超声波传感器和微型超声波传感器。
工作原理
超声波传感器的构成
超声波传感器课稿课件
在工业自动化领域，超声波传感器可用 于检测工件的位置、尺寸和表面质量等。
在机器人技术领域，超声波传感器可用 于实现机器人对周围环境的感知和定位。
03
超声波传感器技术
信号处理技术
01
02
03
信号增强
通过放大电路或数字信号 处理技术，对微弱的超声 波信号进行增强，提高信 号的信噪比。
医疗领域
超声波传感器在医疗领域主要用于诊 断和监测，如超声成像、血流速度测 量等。
交通领域
超声波传感器可以用于车辆安全系统， 如倒车雷达、碰撞预警等，提高驾驶 安全性。
农业领域
在农业领域，超声波传感器可用于土 壤湿度、植物生长监测等方面，提高 农业生产效率和智能化水平。
06
总结与展望
本课程总结
超声波传感器原理介绍
在化工、石油、制药等领域，超声波传感器能够检测气体成分，如氧 气、氮气、二氧化碳等，实现气体浓度的实时监测和控制。
温度监测
超声波传感器可以用于温度监测，尤其在高温或低温环境下，能够实 现快速、准确的温度测量。
其他领域应用案例
总结词
除了工业检测和环境监测领域，超声 波传感器还广泛应用于医疗、交通、 农业等领域。
气体型超声波传感器主要用于气 体流速、流量和压力等参数的测量。
液体型超声波传感器主要用于液 位、流速和流量等参数的、厚度和形状等参数的测量。
04
超声波传感器的应用领域
超声波传感器广泛应用于工业自动化、 机器人技术、医疗设备、环境监测等领域。
在环境监测领域，超声波传感器可用于 测量空气质量、气体成分和温度等参数。
超声波传感器利用压电效应原理，将高频声波转换为电信号，
超声波传感器的工作原理
超声波传感器的工作原理超声波传感器是一种常用于非接触式测量过程中的无线传感器，能够通过探测超声波声音来计算出物体距离，而无需实体接触。
它能帮助改善过程的可靠性，让操作更加顺畅精准。
一、超声波传感器的原理超声波传感器会用高频声波代替光，来实现非接触测量的目的。
当发射源发出一轮超声波后，它会被反射回，接收者会将原先轮回发射出的超声波和反射回来的超声波进行比较，从而计算出物体距离。
具体而言，超声波传感器使用一个可编程晶体振荡器，该晶体振荡器可调节超声波的脉冲发生频率，从而发出一轮频率特定的超声波波束，然后将反射回的信号放到接收机中，最后进行数据处理，从而计算出物体距离。
二、超声波传感器的参数超声波传感器的参数包括：1、发射频率：用来控制超声波传播的频率，一般为5kHz~100kHz 。
2、脉冲质量：指发射超声波信号的各个脉冲之间的间隔时间，影响超声波测量精度。
3、发射功率：指发射时超声波传感器功率的强度，越强测量距离越长。
4、脉冲宽度:指一个MAV脉冲的宽度，影响超声波测量深度。
三、超声波传感器的应用超声波传感器可广泛应用于过程控制、物料及容积测量、贴标机构应用、液位检测等领域。
用于精准测量物体的距离及物体的速度、大小，可以更加精确的改善及优化过程控制。
1、过程控制：用于测量液位、位移、渗透率、流量、管道/管塞位置及厚度检测等方面，以维持及改善过程管理。
2、物料及容积测量：超声波传感器能够准确测量周围空间的容积及物料的量，实现自动化的计量、称重及检测物料静止的位置。
3、贴标机构应用：超声波传感器可用于贴标机构，可检测表面的厚度及可编程的检测面。
4、液位检测：可较准确的测量储藏柜及水箱的水位，控制设备的工作状态及数量汇报。
总之，超声波传感器是一种无线传感器，可用于测量距离、物料及容积、贴标机构及液位检测等，可提高及改善过程控制的可靠性，让操作更加顺畅精准。
第10讲第二讲超声波传感器
（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历 的路程，除以2就得到距离。
4. 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
一、超声波的基本特性
次 声波
声波
音乐 语言
超 声波
微波
0.2 5×1 06
20 ×106
探测
101 102
103
104
105
106
超声波的频率界限图
107 f / H z
1. 超声波的传播速度
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是 由与介质相接触的振荡源所引起的。
超声波与其它声波一样，其传播速度与介质密 度和弹性特性有关。
入 射波
反 射波
超声波的反射系数和透射系数
介 质1 介 质2
′
o
折 射波
超声波的反射和折射示意图
2
R
Ir I0
c os
cos
2c2 1c1
T
It I0
41c1 2c2 cos2 (1c1 cos 2c2 )2
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。
超声波测厚
石料测厚
超声波手持式测厚
木材测厚
波测厚探头
双晶超声波测厚探头（续）
5.超声防盗报警器
图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。 发射器发射出频率 f=40kHz左右的超声波。如果有人 进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回 接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移 f。
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》课件 (2)
机器人技术
超声波传感器被用于机器人导航和障碍物避免， 使机器人能够感知周围环境并做出相应的动作。
安防监控
超声波传感器可用于安防监控系统，如入侵检测、 人员计数和距离报警等方面。
超声波传感器的优点
1 非接触式测量
2 高精度
超声波传感器能够在非接触状态下进行测量， 不会对目标物造成损害。
超声波传感器具有高精度的测量能力，能够 实现毫米级的测距精度。
《超声波传感器》PPT课 件 (2)
欢迎来到《超声波传感器》PPT课件第2页。本节将介绍超声波传感器的定义， 原理，应用领域，优点，局限性，市场前景和发展趋势。
超声波传感器的定义
超声波传感器是一种利用超声波进行测距和检测目标的设备。它通过发射超声波脉冲并接收其反射信号来实现 距离测量和障碍物检测。
3 无法穿透障碍物
超声波无法穿透某些物质，如金属和玻璃， 对于这些物体的测量会有局限性。
4 多路径效应
超声波在某些环境中可能会受到多路径效应 的影响，导致测量结果不准确。
超声波传感器的市场前景
1
增长迅速
随着工业自动化和智能设备的发展，声波传感器在各个领域的应用越来越广泛，市场潜力巨大。
3
技术不断进步
超声波传感器技术正在不断进步，新的应用和功能不断涌现。
超声波传感器的发展趋势
增强感知能力
超声波传感器将越来越具备环境 感知和物体识别的能力，实现更 智能化的应用。
微型化设计
无线通信
超声波传感器将越来越小巧轻便， 适应各种复杂场景和紧凑空间的 应用需求。
超声波传感器将实现无线通信技 术，方便远程监控和数据传输。
3 适用于不同环境
超声波传感器在各种环境下都能正常工作， 包括室内、室外、水下等。
第10章-超声波传感器ppt课件
热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器
的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理 参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所 吸收的红外辐射。
特点：热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展 到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广 泛。
.
超声波马达 超声波马达(UltraSonic Motor)的简称是：USM，最
早应用于照相机上是Canon EF系列镜头。现在，很多 数码相机或摄像机镜头用超声波马达进行对焦。 原理：利用超声波振动能量变换成转动能量的来工作 的。 超声波马达分环形和 微型超声波马达两种。
.
超声波传感器应用举例（续）
D
t2
cos c v sin
t t2 t1
.
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。
.
图10-14 声波的频率范围图
.
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。
.
2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
.
3.超声波
.
蝙蝠依靠超声波捕食
.
超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中
传感器分类：单换能器和双换能器。
单换能器的传感器发射 和接收超声波使用同一 个换能器。
超声波传感工作原理
超声波传感工作原理
超声波传感器工作原理是利用超声波的特性来测量与目标物体的距离。
它以发送器将电能转换为机械振动，产生超声波信号并向目标物体发射。
超声波传感器的发送器通常由压电陶瓷材料组成。
当向其施加交流电时，压电材料会产生机械振动，以声波的形式向外传播。
超声波传感器中的接收器部件通常也由压电材料构成，可以将接收到的超声波信号转换为电信号。
当发射器向目标物体发送超声波信号后，这些声波会在目标物体表面反射回传感器。
接收器接收到反射回来的声波后，会将其转换为电信号。
根据声波信号在空气中传播的速度以及返回时间，超声波传感器可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
超声波传感器通常具有高频率的工作能力，因此它们在测量短距离上非常精确。
而且，超声波传感器的工作不受目标物体颜色、形状或透明度的影响，因为声波在空气中的传播规律基本相同。
这使得超声波传感器在自动测距、障碍物检测和液位测量等应用中得到广泛应用。
超声波传感器原理讲述培训课件
超声波传感器原理讲述
2 超声波传感器
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可磁致伸缩式、 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: 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, 可用为接收探头。
超声波传感器原理讲述
超声波传感器原理讲述
一、 超声波的波形及其转换 由于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; ② 横波——质点振动方向垂直于传播方向的波; ③ 表面波——质点的振动介于横波与纵波之间， 沿着表面传播的波。 横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播, 表面波随深度增加衰减很快。 为了测量各种状态下的物理量, 应多采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度, 气体中声速为344 m/s, 液体中声速在900~1900 m/s。
超声波传感器原理讲述
图10 - 4给出了几种超声物位传感器的结构示意图。 超声波发射和接收换能器可设置水中, 让超声波在液体中传播。 由于超声波在液体中衰减比较小, 所以即使发生的超声脉冲幅度较小也可以传播。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, 这种方式便于安装和维修, 但超声波在空气中的衰减比较厉害。 对于单换能器来说, 超声波从发射到液面, 又从液面反射到换能器的时间为
超声波传感器原理讲述
如果在流体中设置两个超声波传感器, 它们可以发射超声波又可以接收超声波, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距离为L。如图10 - 5所示。如设顺流方向的传输时间为t1, 逆流方向的传输时间为t2, 流体静止时的超声波传输速度为c, 流体流动速度为v, 则 t1 = （10 - 8） t2 = （10 - 9） 一般来说, 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 那么超声波传播时间差为
- 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)。
原理_超声波传感器元
件
——————————————————————————————————一种基于单片机的超声波传感器的研究与设计
发布: 2010-9- | 作者: —— | 来源: 电子工程世界
TAG:传感器传感器
现代工业正向着智能化、自动化的方向发展，测距技术作为工业生产的重要组成部分对稳定度和精度的要求也日益严格。
传统测量手段由于受环境、工具和人为因素影响，已经不能满足现代工业测量的要求。
超声波测距作为一种非接触式的测距方式，以其抗干扰能力强[1-2]、测量范围广、易于控制、测量精度高等优点，已经在工业测量领域得到广泛应用。
本系统设计应用于石油泥浆液位测量，设计测量范围为50 cm~600 cm，设计测量精度为厘米级，特点在于系统采用温度补偿对测量数据进行修正，确保准确性。
1 工作原理及系统设计
1.1 超声波测距原理
超声波传感器主要由双压电晶片振子、圆锥共振板和电极等部分构成。
两电极间加上一定的电压时压电晶片就会被压缩产生机械形变，撤去电压后压电晶片恢复原状。
若在两极间按照一定的频率加上电压，则压电晶片也会保持一定的频率振动。
经试验测得此型号压电晶片的固有频率为38.4 kHz，则在两极外加频率为40 kHz的方波脉冲信号，此时压电晶片产生共振，向外发射出超声波。
同理，没有外加脉冲信号的超声波传感器在共振板接收到超声波时也会产生共振，在两极间产生电信号[3]。
1.2 系统原理设计
本系统硬件主要由超声波发射、超声波接收及放大、单片机控制与液晶显示、温度采集和补偿等部分组成，如图1所示。
当按下复位键启动系统工作时，单片机向传感器发射头送出若干40 kHz的方波脉冲，同时启动定时器对超声波传播时间进行计时。
当接收头收到反射回的超声波(在有效测距范围内)并
经放大滤波传入单片机时，定时器停止计时。
查表得到测距温度下的声速，按式(1)计算出测量距离，送液晶显示。
s=Ct/2 (1)
式中s为测量距离，C为超声波传播速度，t为传播时间。
2 系统电路设计
2.1 超声波发射电路
由于系统工作环境比较恶劣，为保证测距的范围和精度，需要保证传感器发射头的外加压差足够大。
因此采用转换范围较大、工作稳定的16位CMOS转换器CD4049组成超声波发射电路的主体(CD4049最大转换电压与探头最大驱动电压同为20 V)。
超声波发射电路如图2所示[4]。
考虑到发射头一般需要5个方波周期达到稳定震荡状态的95%，经1.5倍上升时间达稳定震荡状态的99%[5]。
为保证最大程度的触发，单片机每组产生12个带宽为12 μs的方波经调理电路传到发射头。
2.2 超声波接收放大电路
超声波在空气中传播的衰减程度随传播距离的增加而增大，所以反射回来被接收头收到的信号非常微弱，不能直接送入后级电路处理，首先要经过信号放大。
超声波接收放大电路如图3所示[6]。
被接收头收到的回波信号为正弦波信号，信号强度一般只有几十毫伏。
接收部分前置放大电路是由集成运放NE5532组成的自举式同向交流放大电路。
前两级放大电路构成10 000倍的放大器，对正弦波信号进行足够放大。
后级采用集成LM311-8比较器对前级放大信号进行调理，通过IN-引脚引入一个标准电平，输入包络信号的电位高于标准电平则为1，低于标准电平则为0，将包络信号转变为单片机可识别的中断脉冲信号。
当与单片机的中断输入端相连的LM311的第7管脚输出一个低电平时，计数器立即停止计时并保存数据。
2.3 单片机控制和显示电路
本系统的主控模块是AT89S52单片机。
该控制器具有8 KB的RAM内存空间，在线编程与调试比较方便。
单片机控制单元主要包括复位电路、液晶显示电路、发射控制端、回波接收端几部分。
由于测量距离需要直观显示，且系统安装于户外功耗要尽可能低、体积尽可能小，因此采用易于与CMOS电路相匹配的128×64点阵式液晶显示模块。
接口电路如图4。
3 软件设计及流程
3.1 软件整体流程
系统软件主要由主程序、初始化程序、发射子程序、中断子程序、显示子程序组成。
软件整体流程如图5。
系统上电后首先初始化，设置定时器、计数器工作方式，打开总中断，显示端口清零等。
为避免从发射头发出的超声波直接被接收头作为回波接收，在调用定时器中断子程序(发射方波)后设置0.2 ms的延时，然后打开外部中断0接收回波[7]。
系统采用晶振频率为12 MHz，机器周期为1 μs，主程序检测到回波接收成功后将计数器T0中的值T0按下式计算即可得测量距离(设20 ℃时声速为340 m/s)[8]：
s=(CT0)/2=170T0/100 000 (2)
最后将所得数值以二进制数形式通过P0口直接传入液晶显示。
3.2 发射和中断子程序
超声波发射子程序的作用是通过P1.2口在定时器的设定时刻取反交替产生宽度为12 μs的高低电平输出方波脉冲。
定时器中断程序[9]流程如图6。
外部中断程序流程如图7。
4 误差分析及系统精度提高
在系统测试过程中发现对系统性能和测量精度影响较大的主要有测量盲区、回波时间的确定、控制器定时器偏差、温度对速度的影响等几方面。
4.1 测量盲区
造成测量盲区存在主要有两方面因素：超声波发射头在发射出一串方波信号后经过一段延时才打开外部中断入口，防止方波信号直接进入接收头作为回波引起中断，产生误测量，延时对应的距离即为盲区；另一方面，在测量较近距离时，回波信号会与发射余波重叠造成寻峰失败，同样产生测量盲区。
对于第一种测量盲区，经试验证明，在可承受范围内减小脉冲宽度、减少脉冲发射个数，从而间接减小了延时时间，扩大测量范围。
但同时会由于脉冲个数的减少对测量上限造成影响。
对第二种测量盲区，主要做法是在回波接收电路中加入余振吸收电路，改变接收放大倍数，适当延时，并利用部分未饱和余波等方式共同减小盲区[10]。
4.2 回波时间的确定
发射的方波信号由于强度所限，在经过传播和反射后，回波信号强度有所衰减，出现包络现象，但其频率与发射波相同，没有变化。
单片机确定接收到回波的时刻实际是一个高低电平的变化时刻，与回波频率无关。
而包络信号不是优质的电平信号，直接输入单片机会造成较大误差。
解决方案是接收电路中加入一个电平比较器，其输出频率也为40 kHz，输出标准方波电平信号作为比对，在接收电路的放大器输入(接收到)高于0.4 V的电平信号时，通过比较器的输出电压变为标准的+5 V电平输入单片机，此时刻即为回波接收时刻[11]。
4.3 温度补偿
在常温常压下声速可以认为是定值，但液位监测的工作环境温度变化较大。
声速与温度的关系为[12-13]：
v=311.5+0.607t (3)
温度变化范围为-20℃~+40℃，则声速会产生36 m/s的巨大变化，必须设置温度对声速的补偿。
离线条件下计算出不同温度下的声速值并放存储器存储，18B20测得现场温度传入单片机后，查找对应温度的声速并以此作为校正值进行距离的计算。
空气中声速表达式可写为：
由此可见经过温度补偿后的精度达到厘米级，可以较好地达到测量要求。
测量温度为11.2℃时的实验数据如表1。
由表1可以看出测量上限为600 cm，下限为50 cm，有效测距范围内测量误差小于±2 cm。
通过大量实现数据表明，本系统测量误差小于±2 cm，满足设计要求，并且符合工业标准。
基于超声波受粉尘、震动及电磁波等恶劣工业因素影响极小的特点，本系统还可广泛用于工业测距、汽车行驶、金属探伤等领域，具有较好的应用前景。