第8章超声波传感器原理及应用
超声波流量传感器工作原理
超声波流量传感器工作原理
超声波流量传感器是一种利用超声波信号测量流体流量的设备。
其工作原理基于声波在介质中的传播速度与介质流速之间的关系。
首先，超声波流量传感器会发射一束超声波束，该波束由传感器内部的压电晶体通过电信号激励而产生。
这束超声波会在流体介质中传播，并将一部分能量散射回传到传感器。
接下来，传感器会接收到回传的超声波信号，并测量回传信号的时间延迟。
根据声波传播速度的常数与回传时间延迟之间的关系，可以计算出超声波在介质中的传播速度。
然后，通过测量传播速度的变化，传感器可以确定流体流速。
当流速增加时，传播速度相对减少；当流速减少时，传播速度相对增加。
因此，超声波流量传感器可以通过测量传播速度的变化来间接测量流体的流速和流量。
需要注意的是，超声波流量传感器对介质的物理性质、温度和压力等因素都会有一定的影响。
因此，在应用超声波流量传感器时，需要对这些因素进行校正和补偿，以确保测量结果的准确性和可靠性。
超声波传感器
超声波传感器的实验报告一、超声波传感器的定义：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。
超声波传感器的原理：二、超声波传感器按其工作原理，可分为1、压电式2、磁致伸缩式3、电磁式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。
常用的敏感元件材料主要有压电晶体和压电陶瓷。
根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器（发射探头）和接收器（接收探头）两种，根据结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。
压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。
当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。
压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。
压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。
当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。
压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种用途。
典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。
压电晶片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。
压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，底面接地，上面接至引出线。
为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片，在压电晶片下粘合一层保护膜。
超声波传感器的原理和应用
超声波传感器的原理和应用1. 引言超声波传感器是一种常见的非接触式传感器，广泛应用于工业、生活等领域。
本文将介绍超声波传感器的原理、工作方式以及其应用场景。
2. 原理超声波传感器利用超声波在介质中的传播和反射原理，测量物体与传感器之间的距离。
其工作原理主要包括发送超声波信号和接收反射信号两个过程。
3. 工作方式超声波传感器一般由发射器、接收器和信号处理电路组成。
其工作方式如下：•发射器将电信号转化为超声波信号并发送出去。
•超声波信号在空气或其他介质中传播，当遇到物体时，一部分超声波被物体表面反射，回到传感器。
•接收器接收到反射的超声波信号，并转换为电信号。
•信号处理电路对接收到的电信号进行放大、滤波和计算，得到物体与传感器之间的距离。
4. 应用场景超声波传感器具有以下几个主要应用场景：4.1 测距超声波传感器广泛应用于测量物体与传感器之间的距离。
由于超声波的传播速度快，测距精度高，因此被广泛应用于自动化生产线、无人机导航、智能车辆等领域。
4.2 障碍检测超声波传感器可以用于障碍检测。
通过测量物体与传感器之间的距离，可以判断是否有障碍物存在。
这种应用在无人车、智能家居等领域具有重要意义。
4.3 液位控制超声波传感器可以用于液位控制。
通过测量液体与传感器之间的距离，可以实时监测液体的液位，用于工业生产中的液位控制，例如油罐、水箱等。
4.4 声纳定位超声波传感器可以用于声纳定位。
通过测量声波在水中的传播时间，可以计算出声源与传感器之间的距离，从而实现声纳定位。
这种应用在海洋探测、无线通信等领域具有重要地位。
4.5 动作检测超声波传感器可以用于动作检测。
通过测量移动物体与传感器之间的距离变化，可以判断物体的运动状态，广泛应用于安防系统、智能家居等领域。
5. 总结超声波传感器利用超声波的传播和反射原理，实现了对物体与传感器之间距离的测量。
它具有测距精度高、非接触式等特点，广泛应用于工业、生活等领域。
随着科技的不断进步，超声波传感器在更多领域将发挥重要作用。
超声波纠偏传感器原理
超声波纠偏传感器原理超声波纠偏传感器是一种用于测量物体位置和姿态的传感器，主要应用于机器人、机械加工和自动化控制系统中。
该传感器利用超声波技术实现对目标物体的三维位置和姿态的精确检测。
传感器通过发射超声波，利用物体反射回来的波来计算其与传感器的距离和方向。
当传感器发射超声波时，它会计时和测量发射到接收波的时间。
由于声速在介质中传递的速度是已知的，因此可以根据时间和速度计算物体与传感器之间的距离。
利用传感器发射的超声波的反射信号，可以检测出物体的相对位置和姿态。
传感器可以检测出物体是否向左、右、上或下移动，以及物体是否旋转。
因此，超声波传感器可以实现高度精确的姿态计算。
超声波传感器具有以下优点：1. 非接触式测量：传感器不需要接触目标物体，因此可以避免机械损坏和减小对目标物体的影响。
2. 高精度：传感器可以实现高精度的位置和姿态测量。
3. 广范围：传感器可以在宽广的距离和角度范围内进行测量，从而适用于各种应用场景。
4. 可靠性：传感器具有较高的可靠性和稳定性，可以在较长时间内持续良好的工作。
5. 易于集成：传感器易于集成到各种自动化系统中。
超声波纠偏传感器应用广泛，在工业、制造、安全、军事和航空等领域都有使用。
主要应用于以下领域：1. 机器人：传感器可用于机器人姿态控制和定位系统。
2. 机械加工：传感器可在机械加工中测量工作件的位置和姿态，以便于机器人的操作和加工。
3. 自动搬运：传感器可用于自动搬运和悬吊系统中，以实现安全、精确的操作。
4. 安全系统：传感器可用于工厂和建筑安全系统中，以检测物体的位置和姿态，防止意外事故的发生。
总结超声波纠偏传感器是一种利用超声波技术实现物体位置和姿态测量的传感器。
该传感器的优点包括非接触式测量、高精度、广泛的测量范围、可靠性和易于集成等。
因此，超声波纠偏传感器被广泛应用于工业、制造、安全、军事和航空等领域。
超声波传感器技术
声波的衰减
声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强 而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小，因此， 对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在 液体和固体中传播的距离短。另外，声波在介质中传播时， 衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减 也越大，因此，超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。
超声波传感器原理
• 概念 为了以超声波作为检测手段，必须产生超 声波和接收超声波，变换成电信号，完成 这一过程的装置，就是超声波传感器，习 惯上把发射部分和接收部分称为超声波换 能器或者超声波探头。
传感器的结构
1）超声波换能器根据其工作原理 可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等， 在检测技术中主要是采用压电式。 2）超声波换能器根据结构不同 可分为直探头式、斜探头式、双探头式等 多种。
（2）液介穿透式超声液位传感器
工作原理是利 用超声换能器 在液体中和气 体中发射系数 的显著差别来 判断被测液面 是否到达换能 器安装高度。
（3）气介穿透式超声物位传感器
接收换能器同发射换能器采用同一结构， 使用时，将两换能器相对安装在同一预定 高度的一条直线上，使其声路保持畅通。 当被测料位升高遮断声路时，接收换能器 收不到超声波，控制器内继电器动作，发 出相应的控制信号。
2
R (
Z 2 Z1 Z 2 Z1
)
2
若声波从水中传播到空气，在常温下，它们的声阻抗约为 2 6 带入上式，则得 R 0 . 999 。 Z Z 1 1 . 44 10 ， 2 4 10 这说明当声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下， 由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。
超声波传感器
• 超声波检测原理 • 超声波传感器工作原理 • 超声波传感器的应用
超声波传感器原理
超声波传感器原理[日期：2007-06-05]来源：作者：[字体：大中小]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。
超声波传感器原理与应用2008-04-1802:40polaroid6500系列超声波距离模块的硬件电路如图2所示：tl851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。
内部有一个420khz的陶瓷晶振，6500系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前16个周期，陶瓷晶振被8.5分频，形成49.4khz的超声波信号，然后通过三极管q1和变压器t1输送至超声波传感器。
发送之后陶瓷晶振被4.5分频，以供单片机定时用。
tl852是专门为接收超声波而设计的芯片。
因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，tl852主要提供了放大电路，当tl852接收到4个脉冲信号时，就通过rec 给tl851发送高电平表明超声波已经接收。
2.3at89c51单片机本系统采用at89c51来实现对polaroid600系列传感器和polaroid6500系列超声波距离模块的控制。
单片机通过p1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测int0引脚，当int0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。
计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。
超声波测距的硬件示意图如图3所示：3、系统软件设计系统程序流程图如图4所示：工作时，微处理器at89c51先把p1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器t0开始计时。
由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。
超声波传感器 资料
超声波传感器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。
基于超声波特性研制的传感器称为“超声波传感器”，广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
中文名超声波传感器所属类别传感器物理学原理超声波的特性组件压电材料工作频率压电晶片的共振频率适用领域工业、国防、生物医学目录.1组成部分.2性能指标.▪工作频率.▪工作温度.▪灵敏度.▪指向性.3相关应用.▪主要应用.▪具体应用.4工作相关.▪工作原理.▪工作程式.▪工作模式.5系统构成.6检测方式.7检测好坏.8液位测试.9其他.▪区分.▪注意事项.▪暴露问题组成部分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（一个探头发射、一个探头接收）等。
性能指标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：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。
工作温度由于压电材料的居里点一般比较高，特别是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。
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。
超声波传感器的原理及应用
超声波传感器的原理及应用超声波传感器是一种能够利用超声波进行测距和检测的设备，具有高精度、非接触、响应快等特点。
其工作原理是利用声音在介质中传播的特性进行测量。
下面将详细介绍超声波传感器的工作原理和应用。
超声波传感器的工作原理可以分为三个步骤：发射超声波、接收超声波和信号处理。
首先，超声波传感器通过振荡器将电能转化为声能，发射超声波。
超声波在空气中以声波的形式传播，穿过空气中的介质直到遇到障碍物。
当超声波遇到障碍物时，一部分超声波会被反射回传感器，传感器的接收器接收到反射回来的超声波信号。
通过测量从发射到接收所需的时间，可以计算出超声波传播的路径长度。
最后，传感器将接收到的信号经过放大和滤波处理后，将距离信息通过电信号的形式输出。
超声波传感器具有广泛的应用领域。
其最常见的应用是测距。
超声波传感器可以测量与障碍物之间的距离，因此广泛应用于地图制作、机器人导航、自动驾驶等领域。
在这些应用中，超声波传感器可以帮助设备感知周围环境，并做出相应的决策。
例如，在自动驾驶领域，车辆通过超声波传感器可以检测到前方障碍物的距离，从而实现避障和自动刹车等功能。
此外，超声波传感器还可以应用于流量测量。
超声波传感器可以通过测量液体或气体中声波的传播速度，并结合管道的几何参数，计算出流体的流速。
这种应用广泛用于工业过程控制、石油化工、环境监测等领域。
另外，超声波传感器还可以应用于液位测量。
由于超声波的能量可以穿透液体，传感器可以通过测量从发射到接收的时间，计算出液体的液位高度。
这种应用广泛用于储罐、水池、井坑等液体容器的液位监测和控制。
另一个常见的应用是超声波传感器在夜视设备和安防系统中的应用。
超声波传感器可以通过检测被监控区域内的物体的运动，来实现警报和报警功能。
例如，当有人接近某个区域时，超声波传感器会发射超声波，如果检测到超声波的反射信号发生变化，那么系统会触发报警。
综上所述，超声波传感器是一种重要的测距和检测设备，其工作原理基于超声波在介质中传播的特性。
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次声波
声波
超声波
微波
音乐 语言
0.25 10探6 测 20106
101 102 103 104 105 106
107 Hz
当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中 传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。
8.1.1 波形及其转换
1.超声波波形 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，超
2）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。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质 和散射粒子的性质有关。
3）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。
390k
- R2
A1
LM660
C3 39k 100pF R3
390k
- R4
A2
LM660
100k R5
100k R6
- VD1
A3
LM660
1.6k
VD2
R7
0.01 F
100K
CR58
1M
R9
-
A4
LM660
Uo
5V
R10
10k
RP R12
10k 10k
电路由成运算放大器LMC660构成，接收超声波传感器由 MA40A5R构成。
E1
G1
c横
2(1 )
2 c纵波
c表面 0.9
G
0.9c横
E — 杨氏模量
— 泊松比；
G —剪切弹性模量。
超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。
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。
电信号
振动 压电陶瓷
超声波传感器振子是超声波传感器的核心器件，它是由一片金 属片和一个压电陶瓷粘合在一起。若在超声波振子上加上交流电压 ，则使振子产生振动而发射超声波信号，同样，若在振子上加上超 声波，则在超声波振子上也会产生交流电信号。
超声波振子等效电路和阻抗特性如图8-5所示
XL
L
Co
C
R
感性
3.3 pF
3.3 pF
1k
V T1
0.1F
0.1F
1 C1
0.1F
V 2
3 C1 4 C2
V 6
0.1F
ADM3202AN
5 C2 10
T2 IN
11 T1IN
0.1F
&
T2OUT 7
&
T1OUT
14
5V
HA40ASS
图中74HC4060与晶振构成超声波产生电路，振荡频率为 5.12MHz，经内部分频电路使输出端 QC 输出40KHz的信号。
5V 100
47 F
C2
MA40ASR
10k R2 1000pF R1
3.3k
C1
10k
C3
R3
RP
300k
-A
NJM4580
10 F
0.1F
0.1F
C4 VD1
C6
R4 10k
LED R6
R7 1k
VD2
4.7k
R5
C5
1F
Uo VT
MA40ASR为超声波传感器，将超声波信号转换成电信号，由 运算放大器A进行交流放大，放大后的信号输入到由 VD1 VD2 C5 组成的检波平滑电路，输出信号加到三极管 VT 进行放大驱动。
T1OUT
T2OUT R1IN R 2IN
EIA / TIA 232 OUTPUTS
EIA / TIA 232 INPUTS
8.2.4 超声波信号接收电路
1.由LMC660构成的超声波接收电路
LMC660构成的超声波接收电路如图8-12所示
C2
10pF C4
MA40ASR
100pF R1 C1 39k
设定比较电平。
当接收到的信号非常微弱时，可采用多级放大器，至于选用放 大器的级数，可根据放大器的噪声来决定，如果放大器的倍数过高， 在无信号时容易拾取噪声，要根据实际需要选择放大器的级数，一 般采用3~4级放大器。半波检波电路可以拾取40KHz的信号。
2.由NJM4580构成的超声波接收电路 NJM4580构成的超声波接收电路如图8-13所示。
8.2.2 超声波传感器系统的构成
超声波传感器由超声波探头、超声波信号发射电路、超声波信 号接收电路和控制部分组成。
超声波传感器系统的构成如图8-6所示
被
发射
检
测
物
接收
探头
放大电路
信号形成电路
收发信号切换电路
振荡器
控制电路
放大电路
检Байду номын сангаас电路
信号输出电路
8.2.3 超声波探头
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。
fS
容性
fP
XC
a）压电振子
（b）等效电路
（c）阻抗特性
图中 fS
为串联谐振频率，
fS
2
1 LC
fP 为并联谐振频率
fP 2
1 LCC0
C C0
超声波传感器有发送探头和接收探头，由于压电效应具有双向 效应，故超声波探头既可以做成发射传感器，也可以把接收探头或 两种探头做在一起成为双向超声波传感器。因此，超声波传感器有 专用发射型超声波传感器、专用接收型超声波传感器和兼用型（接 收和发送）超声波传感器。
当电路控制端 CLR 接低电平信号时，产生振荡信号，当接高 电平时，振荡器停止震荡。
ADM3202AN构成升压电路，将5V电源电压变为峰峰值位20V的 驱动电压，可以提高超声波信号的输出。
ADM3202AN内部电路如图8-11所示。
0.1F 10V
CMOS
T1IN
INPUTS
T2IN
CMOS
OUTPUTS
声波的波形也不同，通常有三种形式： 1）纵波
质点振动方向与传播方向一致的波为纵波。
它能在固体、液体或气体中传播； 2）横波
质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波， 横波只能在固体中传播；
3）表面波
是质点振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随 深度增加而迅速衰减的波为表面波。
工业应用中主要采用纵波。
超声波传感器
利用波动现象 — 辐射测量 利用振动测量 — 谐振频率变化
有源传感器
利用波动测量 — 多普勒效应 利用频谱测量 — 厚度计 利用振幅衰减 — 粘度计
8.2.1 超声波传感器的工作原理
超声波传感器是利用压电效应原理制成的压电振子来实现的。 如图8-4所示，为压电振子工作原理图。
超声波信号 金属片
采用施密特触发器构成的超声波发射电路如图8-9所示。
R
RP
74HC14
2.2K 1K
Q2
Q5
C1
Q1
0.01F
Q3
Q6 C2
Q4
0.1F
MA40S4S
电路采用施密特触发器（74HC14）构成超声波发射电路。
超声波传感器采用MA40S4S。
Q1 C1 R RP 构成振荡电路，振荡频率
f0
1 C1(R
若检测到超声波信号，则 VT 导通，Uo 输出低电平。同时，使
LED导通且发光，表示接收到超声波信号。
3.由MA40B7构成的超声波收发电路 MA40B7构成的超声波收发电路如图8-14所示。
MA 40 B 7
VD1
Q1 &
&
VD2
Q2
12V 0.01 F
C1
2．波形转换
当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除有纵 波的反射、折射以外，还发生横波的反射和折射，在某种情况下， 还能产生表面波。
各种波形都符合反射及折射定律。
3. 传播速度
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。
声速
弹性率 密度
超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅 有纵波的传播，其传播速度为
A1 A2 组成二级电压放大器，放大器采用选频放大器， C1 R1 C2 R2 组成第一级选频网络， C3 R3 C4 R4 组成第二级选频网络， 选频频率为 f0 40kHz 放大增益为5倍。
A3 构成半波检波电路。 R7 C5 R8 组成滤波电路。 A4 构成施密特触发器比较器电路，由 RP
8.1.2 超声波的传输与衰减
超声波在两种介质中传播时，在它们的界面上，一部分能量反 射回原介质，称为反射波；
另一部分能量透射界面，在另一介质内继续传播，称为折射波。
超声波的反射与折射如图8-2所示
介质1 介质2
1．反射定律
对于反射波，当入射波和反射波的波形相同、波速相等时，入 射角 等于反射角
超声波探头，按其结构可分为直探头、斜探头、双探头和液浸 探头。超声波探头按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电 磁式等。在实际使用中，压电式探头最为常见。
压电式探头主要由压电晶体、吸收块(阻尼块)、保护膜等组 成。
其示意图如图8-7所示。
导电螺杆
金属壳
吸收块 保护膜
接线片
晶片
超声波探头的结构图如图8-8所示
屏蔽栅