第7章：第三节 超声波传感器的应用
第7章 波式传感器
v2 c v cos
超声波顺流与逆流传播的时间差为
d / sin d / sin 2dv cot t t 2 t1 2 c v cos c v cos c v 2 cos 2
c 2dv v tan t t 2 cot 2d c 2 2 则体积流量约为 QV d v dc tan t 4 8
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。
介质中的能量衰减程度与超声波 和介质密度有很大关系。气体的密度 很小，因此衰减很快，尤其对于高频 率超声波而言，衰减更快。 因此，在空气中测量时，要采用 较低频率的超声波，一般低于数十 kHz，而在固体中则应该采用频率高 的超声波，一般应该在MHz数量级以 上。
超声波探伤
超声波探伤是 目前应用十分广泛 的无损探伤手段。 它既可检测材料表 面的缺陷，又可检 测内部几米深的缺 陷，这是x光探伤 所达不到的深度。
裂纹
A型超声探伤 反射波形
（2）横波探伤法
用斜探头进行探伤的方法称横波探伤法。超声波的一个 显著特点是：超声波波束中心线与缺陷截面积垂直时，探测 灵敏度最高。 如遇到如图7-7中所示的斜向缺陷时，用直探头虽然能 探测出缺陷的存在，但并不能真实反映缺陷的大小。如用斜 探头探测，探伤的效果良好。因此在实际应用中，应该根据 不同缺陷的性质、取向采用不同的探头进行探伤。有些工件 的缺陷性质、取向事先不能确定，为了保证探伤质量，则应 该采用不同种类的探头进行多次探测。
I I 0e
超声波传感器技术的研究与应用
超声波传感器技术的研究与应用近年来，人们生活水平的提高，科技的不断发展，让我们的生活更加便捷和舒适。
其中，超声波传感器技术的研究与应用就是其中一个关键的因素。
一、超声波传感器技术的概述超声波传感器是一种广泛应用于物体检测和测距的技术，主要是通过超声波来实现测量。
其基本原理是：当超声波遇到障碍物时，会发生反射，并返回传感器。
传感器会测量反射回来的时间，并根据时间来计算距离。
因此，超声波传感器可以应用于多种场合，例如测量距离、检测物体是否存在等。
超声波传感器技术的应用非常广泛，其中最常见的就是汽车后方雷达探测器。
它可以帮助行车者更好地了解后方的情况，避免发生事故。
此外，超声波传感器还可以应用于医疗设备、机器人、空调等电器的运行控制等。
可以说，超声波传感器技术已经深入到我们生活的方方面面。
二、超声波传感器技术的优点相比其他测量方式，超声波传感器技术具有以下几个优点：1.高频信号：超声波传感器可在高频信号下工作，这意味着可以对极小的物体进行测量。
2.不受环境影响：超声波传感器可以在各种环境下使用，包括水和空气中。
3.非侵入性：传感器不需要直接接触被测物体，这有效地避免了污染和损坏。
三、超声波传感器技术的研究进展虽然超声波传感器技术已经广泛应用，但是仍有很多方面需要进一步的研究。
以下是几个超声波传感器技术方面的研究进展：1.传感器的选择：超声波传感器的选择关系到设备的准确测量和检测，因此如何选择最适合的传感器是一个值得研究的问题。
2.信号处理：超声波传感器的工作过程中需要进行信号处理，以最小化背景噪声的影响。
因此，如何优化信号处理是一个研究的重点。
3.电源：超声波传感器需要稳定的电源，但是其功耗却是一个不容忽视的问题。
如何在保证稳定电源的同时，尽可能的降低功耗是一个值得探讨的问题。
四、超声波传感器技术的未来发展从目前的研究进展，可以看出超声波传感器技术仍有很大的发展空间。
以下是未来超声波传感器技术的几个发展趋势：1.更高的精度：随着各种行业对精度的要求越来越高，超声波传感器技术也需要不断的改进来提高其精度。
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距离测量传感器，它利用超声波的特性来实现对目标物体的距离测量。
超声波传感器主要由发射器、接收器和控制电路组成，通过发射超声波并接收回波来实现对目标物体距离的测量。
本文将详细介绍超声波传感器的工作原理及其应用。
超声波传感器的工作原理是基于声波在空气中的传播特性。
当超声波传感器发射器发出一束超声波时，这些超声波会在空气中传播，当它们遇到目标物体时，部分超声波会被目标物体反射回来，被接收器接收到。
通过测量发射超声波到接收回波的时间间隔，再结合超声波在空气中的传播速度，就可以计算出目标物体与传感器的距离。
超声波传感器的工作原理可以用以下公式表示：距离 = （传播时间×传播速度）/ 2。
其中，传播时间是发射超声波到接收回波的时间间隔，传播速度是超声波在空气中的传播速度，除以2是因为超声波来回的距离。
超声波传感器的工作原理非常简单，但却非常实用。
它可以实现对目标物体的非接触式距禽测量，具有测量范围广、精度高、反应速度快等优点，因此被广泛应用于工业自动化、机器人、汽车驾驶辅助系统等领域。
在工业自动化领域，超声波传感器常用于物体的定位、计数、检测等工作中。
比如，在生产线上，可以利用超声波传感器来检测产品的到位情况，实现自动化生产；在仓储物流中，可以利用超声波传感器来测量货物的堆垛高度，实现智能化仓储管理。
在机器人领域，超声波传感器可以帮助机器人实现环境感知和避障功能。
通过安装多个超声波传感器，可以实现对机器人周围环境的全方位感知，避免碰撞和损坏。
在汽车驾驶辅助系统中，超声波传感器常用于倒车雷达系统中。
它可以实时监测汽车周围的障碍物，当检测到障碍物靠近时，会发出警报，提醒驾驶员注意，避免碰撞事故的发生。
总的来说，超声波传感器的工作原理简单实用，应用范围广泛。
它在工业自动化、机器人、汽车等领域都有重要的应用价值，对提高生产效率、保障人身安全都起到了重要作用。
相信随着科技的不断发展，超声波传感器的应用将会更加广泛，为人们的生活带来更多便利。
超声波传感器及应用
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4.超声波的衰减
• 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，其衰减的程度与超声波的扩散、 散射及吸收等因素有关。
• 超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波 的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波的衰 减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加 而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗 粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸 收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造 成的，介质吸收声能并转换为热能。
• δ=υt/2
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脉冲回波法测厚工作原理
从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔t。 当然也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间间隔t， 从而做成厚度数字显示仪表。
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2.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成的。如果从发射超声波 脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这 个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置， 利用这种方法可以对物位进行测量。
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超声波探头结构示意
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—试件 11—耦合剂
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1.2.双晶直探头
• 由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。 其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声 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，使超声波的发射和接收互不干 扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块，它用有 机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延迟一段时 间后才入射到试件中，可减小试件接近表面处的 盲区，提高分辨能力。双晶探头的结构虽然复杂 些，但检测精度比单晶直探头高，且超声波信号 的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。
简述超声波传感器的用途
简述超声波传感器的用途
超声波传感器是一种可以发射和接收超声波的电子传感器。
它主要用于检测距离、测速、探测非接触式的物体表面位置、测量变化的物体尺寸等应用。
1. 测距：用于测量物体到超声波传感器之间的距离，一般应用于近距离测量，如火车测距、自动门控制等；
2. 测速：用于测量物体的运动速度，一般应用于运动物体的测速，如车辆速度检测、前碰撞报警等；
3. 探测：用于探测物体表面位置，可以用于物体检测或路径精确控制的场合，如机器人探测或非接触式定位；
4. 测量：用于测量变化的物体尺寸，如测量水池液位、管道内液位等。
第七章 超声波传感器 《自动检测技术及应用(第2版)》课件
超声波的波型分类
纵波
纵波在钢材中的传播
纵波质点的运动方向
横波
表面波在钢材表面的传播
1－超声波发生器 2－钢材
纵波（疏密波）纵波。在介质中传播时， 波的传播方向与质点振动方向一致。
横波
横波也称“凹凸 波”，是介质粒子振 动方向和波行进方向 垂直的一种波。也称S 波,若此波沿着x轴移动， 则振动方向为与x轴垂 直的方向上。
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， 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
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
超声波的反射率与折射率
当声波垂直入射到光滑的界面上时的示意图如图所
示，入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满 足如下关系： p i+ pr = pd
反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介质
的声阻抗Z有关。界面一侧的总声压等于另一侧的总
声压，压强处于平衡状态。将反射声压pr与入射波声
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，但检测准确度 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， 在钢中的折射角：45 ~70
接触法双晶斜探头（续）
超声波传感器及应用
超声波传感器及应用我要打印我要留言查看留言文章来源：中国功率超声网添加人：admin 添加时间：2006-6-23 16:11:45来自：转载原理简述：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。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须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，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，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（一个探头反射、一个探头接收）等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。
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。
结构与工作原理当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。
另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。
超声波传感器使用说明
超声波传感器使用说明超声波传感器是一种利用超声波原理进行非接触式测量的传感器，常用于测量距离、确定物体位置和运动状态等。
本文将为您提供一份超声波传感器的使用说明，以帮助您更好地理解和使用这种传感器。
一、超声波传感器的工作原理超声波传感器利用超声波的特性进行工作。
它通过发送超声波信号，然后接收反射回来的信号，根据信号的传播时间、振幅和相位等信息，计算出目标物体与传感器之间的距离、位置和运动状态。
二、超声波传感器的特点1.非接触式测量：超声波传感器无需与目标物体接触，因此适用于各种恶劣环境和高温、高压等极端条件。
2.抗干扰能力强：超声波不易受电磁干扰，因此适用于各种复杂的环境。
3.测量精度高：超声波传感器具有较高的测量精度，能够满足各种实际需求。
4.响应速度快：超声波传感器具有较快的响应速度，能够实时监测目标物体的状态。
三、超声波传感器的应用范围1.距离测量：利用超声波传感器可以测量目标物体与传感器之间的距离，常用于机器人避障、物体定位等。
2.速度检测：通过测量超声波信号往返时间，可以计算出目标物体的运动速度，常用于运动物体监测、交通流量监测等。
3.厚度测量：利用超声波传感器可以测量物体的厚度，常用于材料检测、产品质量控制等。
4.液位测量：利用超声波传感器可以测量液体的液位高度，常用于石油化工、水利工程等领域。
四、超声波传感器的使用说明1.选择合适的型号：根据实际需求选择合适的超声波传感器型号，包括测量范围、精度、频率等参数。
2.安装与调试：按照说明书的要求正确安装超声波传感器，并进行必要的调试。
一般来说，需要根据实际环境调整传感器的灵敏度和增益等参数。
3.操作步骤：首先按下传感器的电源开关，然后等待一段时间让传感器稳定工作；接着通过连接线将传感器与计算机或控制器连接起来；最后根据实际需求编写相应的控制程序，利用传感器输出数据进行数据处理和控制操作。
4.注意事项：在操作过程中需要注意以下几点：避免在高温、湿度过大或存在腐蚀性气体的环境中使用传感器；定期对传感器进行校准和维护以保证测量精度；在安装过程中要确保传感器与目标物体之间没有其他障碍物干扰测量结果；在使用过程中要避免过度振动或冲击导致传感器损坏；在连接线路时要注意正负极不要接反，并且要确保连接牢固可靠；另外还要注意传感器的电压范围和电源稳定性等问题以免烧毁传感器。
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多普勒效应
前进方向的 频率升高
如果波源和观察 者之间有相对运动， 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 不相同了， 叫做多普勒效应。 叫做多普勒效应。测 出∆f 就可得到运动速 度。
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超声波多普勒测量风速
风
风引起超声波的频率 变大或变小
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本章作业 p108：2、3、5 ： 、 、
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休息一下
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测量流量原理分类
时间差法测量流量原理： 时间差法测量流量原理：在被测管道上下 游的一定距离上， 游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和 接收探头（ ）、（F ），其中 其中F 接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1 的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是 的超声波是顺流传播的， 逆流传播的。 逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播 速度的不同， 速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的 可得到流体的平均速度及流量。 时间差∆t，可得到流体的平均速度及流量。 时间差∆
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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， 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。 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所经历的来回 距离，再除以2 距离，再除以2，就得到厚度δ ：
1 δ = ct 2
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(7 - 5)
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手持式超声波测厚仪
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某超声波测厚仪指标
（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料） 参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）
显示方法∶ 显示方法∶128*32 LCD 点阵液晶显示（带背光） 点阵液晶显示（带背光） 显示位数： 显示位数：四位 测量范围：0.8~200mm 测量范围：0.8 200mm 示值精度： 示值精度：0.1mm 声速范围： 声速范围：1000 ~ 9999m/s 测量周期： 测量周期：2次/秒 自动关机时间：90秒 自动关机时间：90秒 电源：二节七号（AAA）电池， 电源：二节七号（AAA）电池， 可连续工作不少于72 72小时 可连续工作不少于72小时 使用温度： 10° 40° 使用温度：-10°C ~ 40°C 存储温度： 20° 70° 存储温度：-20°C ~ 70°C 外形尺寸： 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含电池） 重量： 含电池）
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F1发射的超声波到达 F2的时间较短
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频率差法测量流量原理：
F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外 是完全相同的超声探头， 通过电子开关的控制， 面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器 与接收器用。首先由F 发射出第一个超声脉冲， 与接收器用。首先由 1发射出第一个超声脉冲，它通 过管壁、流体及另一侧管壁被F 接收， 过管壁、流体及另一侧管壁被 2接收，此信号经放大 后再次触发F 的驱动电路， 后再次触发 1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲 。 紧接着， 发射超声脉冲， 作接收器， 紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测 的脉冲重复频率为f 同理可以测得F 得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重 复频率为f 顺流发射频率f 与逆流发射频率f 复频率为 2。顺流发射频率 1与逆流发射频率 2的频 率差∆ 与被测流速 与被测流速v成正比 率差∆ f与被测流速 成正比 。 F
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超声波传感器应用举例（ 超声波传感器应用举例（续）
平整度测量
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超声波传感器 应用举例（ 应用举例（续）
超长距离检测
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超声波传感器 应用举例（ 应用举例（续）
流水线计数
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一、超声流量计
F1发射的超声波先到达 T1
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超声波传感器应用举例（ 超声波传感器应用举例（续）
物件放置错误检测
超声波传感器应用举例（ 超声波传感器应用举例（续）
透明塑料张力控制
超声波传感器应用举例（ 超声波传感器应用举例（续）
机械手定位 机械手定位
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超声波传感器 应用举例（ 应用举例（续）
纸卷直径检测
第七章： 第七章：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。 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。 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， 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、 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。 金属探伤以及测厚等。
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超声波测厚
石料测厚
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超声波手持式测厚
木材测厚
混凝土测厚
小提琴 木料测厚
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双晶超声波测厚探头
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双晶超声波测厚探头（ 双晶超声波测厚探头（续）
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超声波测量液位和物位原理
在液罐上方安装空气传导 型超声发射器和接收器， 型超声发射器和接收器，根据 超声波的往返时间， 超声波的往返时间，就可测得 液体的液面。 液体的液面。
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超声波液位计原理
1—液面 2—直管 3—空气超声探头 液面 直管 空气超声探头 4—反射小板 5—电子开关 反射小板 电子开关
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超声波测量液位和物位
喇叭形 超声发生器
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超声防盗报警器
图中的上半部分为发射电路， 图中的上半部分为发射电路，下面为接收 电路。 40kHz左右的超声 电路。发射器发射出频率 f=40kHz左右的超声 40kHz 如果有人进入信号的有效区域， 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∆ 。 普勒效应，而发生频率偏移∆f。
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超声波测距
空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时， 空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时， 被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。 被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测 出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间 t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲 再乘以空气的声速（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。 在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。
1
F2
发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧 发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧
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同侧式超声波流量计的使用 同侧式超声波流量计的使用
（参考北京菲波仪表有限公司资料） 参考北京菲波仪表有限公司资料）
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超声波流量计现场使用
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超声波多普勒测量车速
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超声波传感器应用举例
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超声波传感器应用举例（ 超声波传感器应用举例（续）
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3
超声波传感器应用举例（ 超声波传感器应用举例（续）
质量检查
紧固件的安装错误检测
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超声波传感器应用举例（ 超声波传感器应用举例（续）
叠放高度测量 叠放高度测量