第七章超声波传感器
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。
超声波传感器详解PPT课件
振荡器产生的高频电压通过耦合电容CP供给超声波振子MA40S2S。CC4049的
H1和H2产生与超声波频率相对应的高频电压信号， H3～H6进行功率放大，再
经过耦合电容CP
MA40S2S。超声波振子若长时间加直流电
压，会使传感器特性明显变差， 因此，一般用交流电压通过耦合电容CP 供
b超声波在空气中传播2a2a19第7章超声波传感器20液位测量储油罐分选第7章超声波传感器21超声波液位计第7章超声波传感器22mdarse型室外保安机器人多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器第7章超声波传感器23为计数或安全目的进行人员探测第7章超声波传感器24堆置高度控制厚度测量第7章超声波传感器25脉冲回波法检测厚度工作原理超声波测厚第7章超声波传感器图910超声波测厚1双晶直探头2引线电缆3入射波4反射波5试件6测厚显示器图是超声波测厚示意图
α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。
声波衰减原因： 扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮
粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而 形成散射。 吸收衰减：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7章 超声波传感器
超声波液位计
第20页/共40页
第7章 超声波传感器 多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器
MDARS-E型室外保安机器人
第21页/共40页
第7章 超声波传感器
为计数或安全目的，进行人员探测
第22页/共40页
第7章 超声波传感器 堆置高度控制
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。
超声波传感器工作原理
超声波传感器工作原理超声波传感器是一种使用超声波技术进行测距和探测的装置。
它利用声波的特性来测量目标物体和周围环境的距离和位置信息。
本文将详细介绍超声波传感器的工作原理和应用。
一、超声波传感器的构成超声波传感器通常由发射器、接收器和信号处理电路组成。
其中，发射器用于产生超声波信号，接收器用于接收被测物体反射回来的超声波信号，并将信号转化为电信号，信号处理电路则负责处理接收到的信号并输出相关的测量结果。
二、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在空气或其他介质中的传播特性。
它的工作过程可以简单分为发射、传播、接收和处理四个阶段。
1. 发射：超声波传感器中的发射器会向目标物体发送一个超声波信号。
这个信号通常是由压电传感器或压电陶瓷组成的振动体产生的，当施加电压时，振动体开始振动，并以声波的形式向外辐射。
2. 传播：发射的超声波信号在空气或其他介质中传播，其传播速度一般是固定的，约为343米/秒。
当遇到目标物体时，部分声波会被目标物体表面反射，一部分会被吸收或折射。
3. 接收：传播的超声波信号被传感器中的接收器接收。
与发射器类似，接收器也是由振动体构成的，当接收到超声波信号时，振动体会产生相应的电信号。
4. 处理：接收到的电信号会经过信号处理电路进行放大、滤波等处理，最终转化为与目标物体距离相关的测量结果。
这些结果可以通过显示器、计算机或其他设备进行显示或进一步处理。
三、超声波传感器的应用超声波传感器具有广泛的应用领域，如测距、障碍物检测、位移测量等。
1. 测距：超声波传感器可以通过测量从传感器到目标物体反射超声波信号的时间差来计算出目标物体与传感器的距离。
这种测距方法被广泛应用于自动驾驶车辆、机器人导航和智能家居等领域。
2. 障碍物检测：超声波传感器可以检测目标物体到传感器之间的障碍物，并发出警报或采取相应的措施。
例如在汽车后方安装超声波传感器，可以提醒驾驶员离障碍物的距离。
3. 位移测量：超声波传感器可以实时测量目标物体的位移，用于机械加工、仪器仪表和自动化控制等领域。
《超声波式传感器》课件
线路板和控制芯片
传感器上的线路板和控制芯片负责信号处理和数据传输。
优缺点分析
优点
非接触式，精度高，测量范围广。
缺点
受环境因素影响，检测路线受限。
应用实例
航空天领域
超声波式传感器用于飞机导航系 统和无人机避障。
工业自动化
超声波式传感器用于物体检测和 测距。
消费电子
超声波式传感器用于手势识别和 智能家居控制。
超声波式传感器
超声波式传感器是一种非接触式传感器，适用于各种应用场景。本课件将介 绍其工作原理、结构组成、优缺点分析、应用实例和发展前景。
介绍
1 什么是超声波式传感器
超声波式传感器利用超声波的发射和接收来测量距离和探测物体的位置。
2 常见的应用场景
超声波式传感器广泛应用于航空航天、工业自动化和消费电子等领域。
发展前景
1 技术不断革新
超声波式传感器的技术不断发展，性能不断提升。
2 应用领域不断拓展
超声波式传感器在医疗、安防等领域有着广泛的应用前景。
3 市场需求增长
随着智能设备的普及，对超声波式传感器的需求不断增长。
总结
1 超声波式传感器的应用前景广阔
在不同领域都有着无限的可能性。
2 发展潜力巨大
随着技术的不断进步，超声波式传感器有望 成为未来重要的技术发展领域的代表之一。
工作原理
1 超声波的发射和接收
传感器通过发射超声波脉冲并接收反射回来的信号来计算距离。
2 时间测量和距离计算
传感器测量超声波的往返时间，并根据声速计算出物体与传感器之间的距离。
结构组成
超声波传感器的主体结构
传感器主体通常由外壳、传感器元件和连接线组成。
传感器及检测技术教案全
传感器及检测技术教案第一章：传感器概述1.1 教学目标让学生了解传感器的基本概念和作用。
让学生了解传感器的分类和特点。
让学生了解传感器在现代科技领域的应用。
1.2 教学内容传感器的定义和作用传感器的分类和特点传感器在现代科技领域的应用1.3 教学方法采用讲授法，讲解传感器的定义、作用和分类。
采用案例分析法，分析传感器在现代科技领域的应用。
采用小组讨论法，让学生讨论传感器的特点和优缺点。
1.4 教学评估课堂问答，检查学生对传感器的基本概念和作用的理解。
小组讨论，评估学生对传感器特点和优缺点的理解。
第二章：温度传感器2.1 教学目标让学生了解温度传感器的原理和结构。
让学生了解常见温度传感器的特点和应用。
让学生了解温度传感器的选择和安装。
2.2 教学内容温度传感器的原理和结构常见温度传感器的特点和应用温度传感器的选择和安装2.3 教学方法采用讲授法，讲解温度传感器的原理和结构。
采用案例分析法，分析常见温度传感器的特点和应用。
采用实验演示法，展示温度传感器的安装和应用。
2.4 教学评估课堂问答，检查学生对温度传感器原理和结构的理解。
实验操作，评估学生对温度传感器的安装和应用的掌握。
第三章：压力传感器3.1 教学目标让学生了解压力传感器的原理和结构。
让学生了解常见压力传感器的特点和应用。
让学生了解压力传感器的选择和安装。
3.2 教学内容压力传感器的原理和结构常见压力传感器的特点和应用压力传感器的选择和安装3.3 教学方法采用讲授法，讲解压力传感器的原理和结构。
采用案例分析法，分析常见压力传感器的特点和应用。
采用实验演示法，展示压力传感器的安装和应用。
3.4 教学评估课堂问答，检查学生对压力传感器原理和结构的理解。
实验操作，评估学生对压力传感器的安装和应用的掌握。
第四章：湿度传感器4.1 教学目标让学生了解湿度传感器的原理和结构。
让学生了解常见湿度传感器的特点和应用。
让学生了解湿度传感器的选择和安装。
4.2 教学内容湿度传感器的原理和结构常见湿度传感器的特点和应用湿度传感器的选择和安装4.3 教学方法采用讲授法，讲解湿度传感器的原理和结构。
08第七章 超声波传感器
各种超声波探头
1、接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）
超声脉冲电 压输入端 接地端
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。
接插件
直探头原理
常用频率范围：0.5-10MHz， 常见晶片直径：5-30mm
2、接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）
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。
sin C1 反射时： sin C1
sin C1 折射时： sin C 2
超声波的反射系数和透射系数可分别由下式求得:
I r cos 2C2 反射系数：R I 0 cos 1C1
透射系数：T
2
I t 41C1 2C2 cos I 0 ( 1C1 cos 2C2 ) 2
三、超声波的传播速度、波长与指向性
1、超声波的传播速度与介质密度、弹性特性及声 阻抗有关。其声阻抗Z和传播速度C为：
Z C
C 1 Bn
式中：ρ --介质的密度； Ba--绝对压缩系数。 上述的ρ 、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中 的传播速度随温度的变化而变化。下表为蒸馏水在0～ 100℃时声速随温度变化的数值。
8、空气超声探头
1—外壳 5—引脚
a）超声发射器 2—金属丝网罩 6—阻抗匹配器
b）超声接收器 3—锥形共振盘 4—压电晶片 7—超声波束
空气超声探头外形
空气 传导 超声 波电 脉冲 发生 器
超声波传感器讲解课件
声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 ct
2
7 - 5
6、超声波探伤的原理
• 用纵波可探测金属存在的夹杂物、裂缝、 缩管、白点、分层等缺陷；用横波可探 测管材中的周向和轴向裂缝、划伤、焊 缝中的气孔、夹渣、裂缝、未焊透等缺 陷；用表面波可探测形状简单的铸件上 的表面缺陷；用板波可探测薄板中的缺 陷。
回声必须与原声间隔0.1秒以上，即在空 气中，障碍物离声源必须大于等于17米， 人耳才能分辨出回声。
2、什么是超声波单晶探头、 双晶探头、斜探头？用途？
• 单晶就是收发公用一个陶瓷片。双晶：收发陶 瓷片分开。斜探头是陶瓷片和辐射面成一倾 角。
• 用途:单晶用于检测表面粗糙的工件 。 • 双晶头用于表面缺陷的探测 • 斜探头用于检测直声束无法到达的部位、或者
5
（1）线聚焦探头， • （2）双晶探头， • （3）双晶探头、根据模拟量大小进行检
测 • （4）单晶探头、根据声波往返时间检测
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
缺陷的方向与检测面之间存在夹角的区域。
3、原理
• 一个探头发射信号穿过管壁、介质、另 一侧管壁后，被另一个探头接收到，同 时，第二个探头同样发射信号被第一个 探头接收到，由于受到介质流速的影响， 二者存在时间差Δt，根据推算可以得出 流速V和时间差Δt之间的换算关系 V=(C2/2L)×Δt，进而可以得到流量值 Q
• 当流体静止时，声速为c。当流体速度 为 v时，顺流的声速为c+v，传播时间为 t1；逆流的声速为 c-v，传播时间为t2。
超声波传感器-PPT课件.ppt
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》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。
超声波的传感器原理
超声波的传感器原理超声波是一种高频声波，具有在空气中传播迅速、穿透性强等特点，因此被广泛应用于传感技术中。
超声波传感器是一种通过测量声波在空气中传播时间来实现测量距离、检测物体存在等功能的设备。
本文将介绍超声波传感器的原理及其应用。
一、原理概述超声波传感器主要由发射器、接收器和控制电路组成。
发射器通过准确控制电压信号，将电能转化为超声波能量，向空气中发射超声波。
超声波经过空气传播后，遇到目标物体时，一部分声波被目标物体吸收，另一部分被目标物体反射回来。
接收器感知到反射回来的声波，将其转化为电能信号传回控制电路。
二、发射器发射器是超声波传感器中的重要组成部分。
它通常由压电晶体材料构成，当施加电压时，压电晶体会发生形变，产生机械振动。
随着振动的传播，超声波形成并向外传播。
发射器的产生的超声波频率通常在20kHz到200kHz之间，具体频率根据传感器的应用需求而定。
三、接收器接收器接收到从目标物体反射回来的声波，并将其转化为电信号。
接收器通常由压电晶体材料构成，与发射器相似。
当接收到声波时，压电晶体会发生形变，产生电能信号。
接收器将电信号传回控制电路进行处理。
四、控制电路控制电路是超声波传感器的核心部分，用于控制发射器和接收器的工作以及处理接收到的电信号。
控制电路中包含脉冲发生器，用于控制超声波的发射频率和发射的脉冲宽度。
同时，控制电路还包括计时电路，用于测量超声波的传播时间以及计算距离。
五、工作原理超声波传感器的工作原理基于声波在空气中传播的速度恒定。
当超声波发射器发出声波后，它会在空气中以恒定速度传播，遇到目标物体后部分声波会被吸收，而另一部分声波会被目标物体反射回来。
接收器接收到反射回来的声波后，控制电路会记录下发射到接收的时间间隔，并通过时间间隔与声波在空气中传播的速度计算出目标物体与传感器的距离。
通常情况下，声波在空气中的传播速度约为343米/秒，根据测得的时间间隔可以通过简单的数学计算得出距离。
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(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的非接触式测距传感器，它通过发射超声波并接收其反射信号来实现距离测量。
超声波传感器主要由发射器、接收器、控制电路和显示装置等组成。
其工作原理如下：
1. 发射器发射超声波。
超声波传感器的发射器会向目标物体发射一束超声波脉冲，超声波是一种机械波，其频率通常在20kHz到200kHz之间。
超声波在空气中传播时速度较快，能够迅速到达目标物体并发生反射。
2. 超声波被目标物体反射。
当超声波遇到目标物体时，会发生反射。
目标物体表面的声波反射系数取决于目标物体的材质、形状和表面状态等因素。
反射信号会返回传感器的接收器。
3. 接收器接收反射信号。
超声波传感器的接收器接收到目标物体反射回来的超声波信号，并将其转换成电信号。
接收到的信号强度与目标物体与传感器之间的距离有关，距离越远，接收到的信号强度越弱。
4. 控制电路处理信号。
接收到的电信号会被传感器内部的控制电路处理，控制电路会根据接收到的信号强度计算出目标物体与传感器之间的距离。
这个距离值可以通过显示装置显示出来，或者通过其他方式输出。
超声波传感器的工作原理简单清晰，其测距精度高、响应速度快，因此在许多领域得到了广泛应用。
例如，在工业自动化中，超声波传感器可用于测量物体到机器人的距离，以便机器人进行精准的定位和操作；在汽车领域，超声波传感器可用
于倒车雷达系统，帮助驾驶员避免碰撞；在智能家居中，超声波传感器可用于智能灯光系统，实现人体感应控制灯光开关。
总之，超声波传感器以其可靠的测距性能和广泛的应用前景，成为了现代传感技术中的重要组成部分。
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。
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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。
超声波传感器PPT课件
超声波金丝焊接机
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
超声波在医学检查中的应用
胎儿的 B超影像
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。
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。
各种超声波探头
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
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
质点振动方向垂直于波的传播方向的 横波 波，它只能在固体介质中传播
质点的振动介于横波与纵波之间，沿着
表面波 介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速 衰减的波，表面波只在固体的表面传播
纵波
横波
表面波
超声波的波形及其传播速度
波型的转换
各种波型均符合几何光学中的反射定律：
cLsin c来自1 cS1sin 1 sin 2
cL2
sin
超声波传感器
超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性，将超声波信号转换成电信号的传感器。
在讲述超声波传感器之前，我们先来了解一下超声波。
声波是一种能在气体、液体、固体中传播的机械波。
声波按频率可分为次声波、声波和超声波。
声波频率在16Hz-20kHz 之间,是能为人耳所闻的机械波；次声波就是频率低于16 Hz 的机械，而波超声波则是频率高于20kHz的机械波。
超声波的特性是频率高、波长短、绕射现象小。
它最显著的特性是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。
超声波的传播速度：超声波通常有纵波、横波及表面波，他们的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。
气体和液体中只能传播纵波，气体中声速为344m/s，液体中声速为900-1900m/s。
在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系。
通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90% 。
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。
能量的衰减决定于超声波的扩散、散射和吸收。
以超声波作为检测手段，能产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器。
超声波传感器性能指标超声波传感器的主要性能指标，包括；（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产生失效。
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。
工作原理超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，以压电式最为常用。
※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。
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第七章超声波传感器
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3.超声波：频率高于20KHz
蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食
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第七章超声波传感器
4
2、超声波应用举例
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
超声波雾化器
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第七章超声波传感器5 Nhomakorabea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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第七章超声波传感器
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一、超声波的传感器的工作原理
目前市场销售的超声波传感器有两种形式： 专用型 、兼用型
产品通常标有谐振中心频率： 23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、 400KHz。
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。
次声波 声波的分类 声波
超声波 声波是机械波，振动频率为20Hz—20KHz。 1、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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第七章超声波传感器
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2.可闻声波：频率20Hz—20KHz。
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典型外形及符号
第七章超声波传感器
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二、超声波传感器的结构
结构： 超声发射器 超声接收器 发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高 方向性。 接收器在共振盘上安装了阻抗匹配器以滤除噪声， 提高效率。
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第七章超声波传感器
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以空气为传导介质的超声传感器结构
a） 超声发射器 b）超声接收器 1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振 盘 4—压电晶片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
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接插件
第七章超声波传感器
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2、双晶直探头
双晶直探头与单晶直探头的区别是： 结构： 由两个直探头组合而成，一个晶片是发射超声波， 另一个晶片接受超声波，两晶片间有隔离系统，发 射和接受互不影响。 延迟块可以减少盲区，提高分辨能力。 优点： 虽然结构比单晶直探头复杂，检测精度高。控制电 路简单。
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第七章超声波传感器
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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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第七章超声波传感器
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3、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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第七章超声波传感器
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接触法双晶直探头
结构：
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。
优点：
发射晶片
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。 接收晶片
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第七章超声波传感器
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（一）以固体为传导介质的超声探头
a单晶直探头
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b双晶直探头 第七章超声波传感器
c斜探头 16
1、接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）
常用频率范围：0.5~10MHz
常见晶片直径：5~30mm
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。
以空气为传导介质的超声传感器结构
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第七章超声波传感器
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三、超声波探头
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。
第七章 超声波传感器
章节导入：
高电压窄脉冲作用于某些晶体时产生超声波， 可以聚焦。而做成探测器或其他用途。
本章要点：
1、了解超声波传感器的结构及工作原理 2、超声波换能器及耦合技术 3、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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第七章超声波传感器
1
概述：
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第七章超声波传感器
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利用压电效应的原理制成，是利用了压电的可逆 效应即施加40KHz高频电压，压电片根据所加的高频电 压极性伸长或缩短，于是发射频率是40KHz的超声波， 利用了压电的逆压电效应。经被测物反射后接收器接 受，再利用压电材料的压电效应，转换成电荷，经测 量转换电路，记录或显示结果。
超声波塑料焊 接机
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第七章超声波传感器
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超声波在医学检查中的应用
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第七章超声波传感器
胎儿的 B超影像
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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。
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第七章超声波传感器
8
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）
波浪
气泡
清洗物
超声换能器
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第七章超声波传感器
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第一节 超声波传感器的结构及工作原理
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。