《自动检测与转换技术》第七章超声波传感器特点和应用
超声波传感器及其应用
超声波传感器及其应用
超声波传感器是一种基于超声波原理工作的传感器，能够将超声波转化为电信号并进
行探测和测量。
它具有测距精度高、反应速度快、不受环境光影响等优点，因此在许多领
域都有广泛的应用。
超声波传感器的工作原理是利用超声波的回波时间来计算物体与传感器的距离。
传感
器通过发射超声波信号，然后接收回波信号，并根据回波信号的延迟时间来计算距离。
超
声波在空气中的传播速度是已知的，因此可以根据发射和接收的时间差来计算出距离。
超声波传感器的应用非常广泛。
以下是几个常见的应用领域：
1. 距离测量：超声波传感器可以精确测量物体与传感器的距离，因此在自动化、物
流和仓储等领域广泛应用。
比如在自动门系统中，超声波传感器可以探测到人体的距离，
从而自动打开门。
4. 非接触式测量：由于超声波的特性，超声波传感器可以用于非接触式测量和探测。
比如在医学领域，超声波传感器可以用于体温测量、血压测量和心脏监测等。
5. 测厚和质检：超声波传感器可以测量物体的厚度，并用于质量检测和控制。
比如
在制造业中，超声波传感器可以检测产品的厚度和质量，从而确保产品的制造质量。
超声波传感器具有许多优点和广泛的应用领域。
随着科技的进步，超声波传感器的应
用会越来越广泛，为各行各业带来更多的便利和效益。
传感器与自动检测技术 第3版 第7章-波式传感器
图7-3b
第7章 波式传感器
第7章 波式传感器 ➢ 有时为了使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探头，如图7-3c所示。
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。 压电片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介 质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折 射角可通过计算求得。
➢ 超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器根据其工作原理不同，分为压电式、 磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主要采用压电式。换能器由于其结构 的不同，又分为直探头、斜探头、双探头、表面探头、聚焦探头、水浸探头、空 气传导探头以及其它专用探头等。
第7章 波式传感器
1、以固体为传导介质的探头
➢ 用于固体介质的单晶直探头（俗称 直探头）的结构如图7-3a所示。压 电晶片采用锆钛酸铅系列压电陶瓷 （PZT）材料制作，外壳用金属制作。 保护膜用于防止压电晶片的磨损和 改善耦合条件；阻尼吸收块用于吸 收压电晶片背面的超声脉冲能量， 防止杂乱反射波的产生。
第7章 波式传感器
5、超声波在介质中的衰减
➢ 超声波在介质中传播时，由于声波的散射或漫射及吸收等会导致能量的衰减，
随传播距离的增加，声波的强度逐渐减弱。以固体介质为例，设超声波入射介
质时的强度为I0，通过厚度为δ的介质后的强度为I，衰减系数为A，如图7-2所
示，则有下列关系式 I I 0 e A （7-6)
第7章 波式传感器
7.1.1 超声波的物理基础
超声波的传播方式
纵波 横波 表面波
第7章 波式传感器
➢ 质点的振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波。 ➢ 纵波能在固体、液体和气体中传播。
超声波传感器原理、特点及用途
超声波传感器原理、特点及用途导语：常用的超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）等。
常用的超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）等。
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。
超声波传感器的应用传感器：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。
在这里，主要给大家介绍一种在日常生活中运用非常广泛的，给人类社会带来很大便利的传感器——超声波传感器以及其在倒车雷达上的应用。
超声波传感器及其应用
超声波传感器及其应用超声波传感器，也叫超声传感器，是一种通过发射和接收超声波来检测目标物体位置、距离、反射率等物理量的电子器件。
它适用于各种环境，特别是在无法看到物体的情况下使用，如在黑暗中或在泥浆、水等浑浊液体中。
它们在自动化控制、汽车、机器人、医疗、测距等各个领域都有广泛的应用。
超声波传感器的原理是利用超声波在空气中的传递特性。
当电流通过传感器的超声波发生器时，它会生成一系列超声波。
这些超声波会在空气中扩散，直到遇到一个物体。
当超声波碰撞到物体时，部分能量会被反射回来，经过传感器的接收器，并转化为电信号。
根据反射回来的时间和传播速度，传感器可以计算出物体与传感器之间的距离。
超声波传感器的应用非常广泛。
以下是一些超声波传感器应用的例子：1. 汽车倒车雷达：超声波传感器在汽车倒车雷达中发挥着关键作用。
汽车后部的传感器将超声波发射到后方，并接收从目标物体反射回来的波。
系统可以根据这些反射波计算出目标物体与汽车的距离和方向，并发出声音或信号提示驾驶员。
2. 环境控制：超声波传感器用于实现自动化环境控制系统中的智能决策。
传感器可以检测房间的温度、湿度和空气质量等参数，并根据这些参数调整系统中的各种设备，如加热器、空调和换气扇等，以保持房间舒适和健康。
3. 医疗设备：超声波传感器是唯一用于产前检查、疾病检测和治疗的医疗工具之一。
传感器可以发送高频超声波来扫描人体内部，然后将反射回来的信号转换为显像图像。
这些图像可以用于检测器官、组织和器官系统的疾病和异常，并用于治疗疾病，如肿瘤和结石等。
4. 测距和测量：超声波传感器可以用于测量物体的距离、速度和方向。
例如，超声波传感器可以在仓库中检测货架上的物品数量。
当仓库管理员推车经过货架时，传感器可以计算每个架子上物品的数量，并将信息发送到中央数据库。
总之，超声波传感器在许多领域都有广泛的应用。
它们的高精度、可靠性和实用性使它们在控制、感应和监测应用中成为不可替代的工具。
超声波传感器及其应用
超声波传感器及其应用超声波传感器是一种利用声波的特性进行测量和探测的传感器。
它通过发射超声波并接收回波来测量目标物体与传感器的距离，并可以根据回波的特性来识别目标物体的性质和状态。
超声波传感器具有精度高、反应速度快、可靠性强等特点，同时也具有体积小、功耗低的优势，在工业、医疗、自动化等领域中有着广泛的应用。
超声波传感器的工作原理是利用超声波在空气中的传播速度来计算目标物体与传感器之间的距离。
传感器通过发射元件发射一束超声波，当这束超声波遇到目标物体时，一部分超声波会被目标物体反射回来，传感器通过接收元件接收到这些回波，并测量回波的时间间隔来计算出目标物体与传感器之间的距离。
超声波的传播速度在不同的介质中会有所不同，因此在不同的应用场景中需要根据实际情况进行校准和调整。
超声波传感器的应用非常广泛。
在工业领域中，超声波传感器常用于流量计、液位计、压力传感器等仪器设备中，用于测量和监控工业过程中的液体和气体的流动、压力和液位等参数。
在无人驾驶汽车和智能机器人领域，超声波传感器可以用于环境感知和障碍物检测，帮助车辆或机器人安全行驶。
在医疗领域中，超声波传感器被广泛应用于超声医学诊断设备中，用于观察和检测人体内部组织和器官的变化和病变。
超声波传感器也可以应用于矿山勘探、海洋勘测、物体测距与避障等领域。
超声波传感器的优势在于其测量范围广、精度高，并且可以在较恶劣的环境下工作。
相比于其他传感器，超声波传感器不受光学、电磁和颜色的影响，可以在黑暗或复杂的环境中正常工作并获得准确的测量结果。
超声波传感器体积小、功耗低，适合于集成到微型设备和嵌入式系统中，具有较好的可靠性和稳定性。
超声波传感器也存在一些限制和挑战。
超声波在传播过程中会受到目标物体的反射、折射和散射等影响，因此对目标物体的形状、表面质地和声波吸收特性有一定的要求。
超声波传感器在测量距离时受到传播时间的限制，因此在较大距离的测量中可能存在一定的误差。
超声波传感器的价格相对较高，一些高精度、高性能的超声波传感器的价格更是昂贵。
超声波传感器及其应用
超声波传感器及其应用超声波传感器的原理是利用超声波的传播和反射来测量距离或检测目标物体的性质。
超声波传感器由发射器、接收器和控制电路组成。
发射器发出超声波信号，经过空气中传播到目标物体表面，一部分被目标物体反射回来，被接收器接收到。
根据超声波发射和接收的时间间隔，可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
超声波传感器具有测距精度高、快速响应、测量范围广、非接触测量等优点，因此在很多领域得到广泛应用。
在工业领域，超声波传感器可以用于测量液位、物体定位、检测材料的密度、粘度、厚度等参数。
在流体工程中，超声波传感器可以用于测量管道中流体的流速，从而实现自动控制和监测。
在智能家居领域，超声波传感器可以用于人体检测和距离测量。
当有人靠近传感器时，超声波传感器可以检测到，并触发家居设备进行相应的操作，如自动开关灯、调节空调温度等。
在机器人技术中，超声波传感器可以用于机器人的避障和导航。
通过测量与障碍物的距离，机器人可以避免碰撞，并根据测量结果进行路线规划，实现自主导航。
在汽车领域，超声波传感器可以用于车辆停车辅助，帮助司机判断与障碍物的距离，避免碰撞和剐蹭。
在医疗领域，超声波传感器可以用于医学成像和检测。
超声波传感器可以用于心脏超声检查，观察心脏结构和功能，帮助诊断心脏疾病。
超声波传感器还可以应用于环境监测、流量测量、物体判别等领域。
超声波传感器由于其高精度、高灵敏度和非接触测量等特点，在各个领域中都有着广泛的应用前景。
随着技术的不断发展，超声波传感器的性能将进一步提升，应用范围也将更加广泛。
超声波传感器及其应用
超声波传感器及其应用
超声波传感器是一种可以通过发射和接收超声波来测量距离或探测物体的传感器。
它通常由发射器、接收器和信号处理电路组成。
超声波传感器的工作原理是利用声波在不同介质中的传播速度不同的特性。
当超声波传感器发射器发出超声波后，它会被空气或其他介质中的物体反射回来。
接收器会接收到反射回来的超声波，并测量超声波从发射到接收所经过的时间。
通过测量时间和声速的关系，可以计算出物体与传感器的距离。
超声波传感器具有测量距离准确、抗干扰能力强、使用寿命长等优点。
它在很多领域得到广泛应用。
其中一个常见的应用是在机器人领域。
超声波传感器可以让机器人感知周围环境，避免障碍物，实现自主导航。
通过测量距离，机器人可以调整其前进方向，避开障碍物或停下来。
这对于自动仓储系统、无人驾驶汽车等需要检测距离和避免碰撞的应用非常重要。
另一个常见的应用是在工业领域的物位测量。
超声波传感器可以用来测量液体或粉体在容器中的高度，以控制液位或物料的供给。
它可以很方便地测量非接触物体的高度，无论是在液体中还是在液体上方。
超声波传感器还在智能家居、医疗设备、安防监控等领域得到应用。
在智能家居中，超声波传感器可用于测量室内温度、湿度和气压，实现智能调控；在医疗设备中，超声波传感器可用于实现医疗影像检测和超声波诊断；在安防监控中，超声波传感器可用于检测人体或物体的移动，以及测量距离。
超声波传感器是一种非常重要和广泛应用的传感器。
它在机器人、工业、智能家居、医疗设备等领域发挥着重要作用，为各种应用带来了更多可能性。
超声波传感器及其应用
超声波传感器及其应用
超声波传感器是一种利用超声波进行距离测量和物体检测的无接触式传感器。
它通过
发射超声波脉冲，测量其传播时间，从而计算出目标物体与传感器的距离。
超声波传感器
具有精度高、反应快、安装方便等特点，因此在各行各业都有广泛的应用。
超声波传感器主要应用于以下几个领域：
1.自动测距：超声波传感器可以测量目标物体与传感器之间的距离，精度高达毫米级。
它可以应用于自动化领域，例如机器人导航、自动驾驶车辆的避障等。
2.智能家居：超声波传感器可以用于监测室内环境。
可以用来测量水位，实现自动排
水功能；也可以测量空气质量，实现室内空气净化。
3.安防监控：超声波传感器可以用于建筑物的安防监控。
它可以监测墙壁的振动，检
测是否有人敲击或攀爬，进一步保护建筑物的安全。
4.车辆安全：超声波传感器可以在车辆上安装，用于检测车辆周围的障碍物。
当车辆
靠近障碍物时，传感器会发出警示信号，避免车辆碰撞。
5.无人机：超声波传感器可以用于无人机的高度测量和避障。
通过测量无人机与地面
的距离，实现精准的悬停和自动避障功能。
6.工业自动化：超声波传感器可以用于工业生产线上的物体定位和检测。
可以通过测
量物体与传感器之间的距离，判断物体是否到达正确的位置。
超声波传感器具有广泛的应用前景，可以满足不同行业的需求，提高工作效率和安全性。
随着技术的不断进步，超声波传感器的应用领域还将继续扩大。
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聚焦探头原理及外形
水浸聚焦探头
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。
超声波探头不能直接在被测物表面摩擦， 必须在探头和被测物表面之间加入耦合剂
气泡
清洗物
波浪
超声换能器
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。
超声波的波型分类
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。
接插件
接触式 直探头原理
超声脉冲电压
输入端
接地端
保护膜 被测物上表面
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
空气超声探头
1—外壳 5—引脚
a） 超声发射器 b）超声接收器 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片 6—阻抗匹配器 7—超声波束
空气超声探头（续）
空气超声探头外形
空气超声探头外形（续）
空气传导超声波电脉冲发生器
第三节 超声波传感器的应用
当超声发射器与接收器分别置于被测物两 侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥 控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器 与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用 于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤 以及测厚等。
2
概述： 声波的分类 1.次声波
次声波炸弹
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 （20Hz~20kHz）
美妙的音乐可使人陶醉。
280Hz~2560 Hz频率段称 为中高频。 小提琴约有 四分之一的 较高音域在 此频段。
超声波的传播波型主要可分为纵波、
横波、表面波等几种。
纵 波
横波
表面波
第二节 超声波换能器及耦合技术
1
a）单晶直探头 b）双晶直探头 c）斜探头 1－接插件 2－外壳 3－阻尼吸收块 4－引线 5－压电晶体 6－保护膜 7－隔离层 8－延迟块 9－有机玻璃斜楔块 10－耦合剂 11－试件
超声波换能器（超声探头）的外形
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 控制电路简单。
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
接触法双晶斜探头（续）
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。
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。
3.超声波
蝙蝠 能发出和 听见超声 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 能量集中的特点。
超声波加湿器
超声波雾化器
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。
超声波塑料焊接机
超声波金丝 焊接机
耦合剂 的
种类和选择
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。
在工业中，经常使用耦合剂，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、胶水、化 学浆糊等。
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）
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
（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）
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。
各种接触式斜探头
常用频率范围：1~5MHz
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。
《自动检测与转换技术》
第七章 第七章 超声波传感器
特点和应用
12.卡卡要给大家介绍超声波的
物理特性、超声波传感器的结构、探头耦合 技术和超声波传感器的应用，也集中讲一讲 在工业领域里比较常见的无损探伤。
超声波传感器的最大特点是量程范围比较大， 多用于定性测量。
12.05.2020
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
大功率超声波用于高效清洗
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。