第七章第三节超声波传感器的应用.
《自动检测与转换技术》第七章超声波传感器特点和应用
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。
超声波传感器及其应用
超声波传感器及其应用摘要本文主要介绍了超声波的特点,超声波传感器的原理与应用等多个方面。
文中阐述了超声波与可听声波的区别,超声波传感器在医疗,工业生产,液位测量,测距系统等多个领域中得到了广泛的应用。
因超声波具有的独特的特性,使得超声波传感器越来越在生产生活中体现了其重要性,具有一定的研究价值。
关键词:超声波传感器疾病诊断测距系统液位测量Ultrasonic sensors and its applicationAbstractThis paper mainly introduces the characteristics of ultrasonic, principle and application of ultrasonic sensors, etc. In this paper, the ultrasound and sound waves, ultrasonic sensors in medical treatment, industrial production, level measurement, ranging in many fields such as system has been widely used. Due to the unique characteristics of ultrasonic has, ultrasonic sensors in production and life embodies its importance, has certain value.key words: ultrasonic sensors Disease diagnosis Distance measuring system level目录一、超声波传感器概述 41.超声波 42.超声波传感器 5二、超声波传感器的应用 51.超声波距离传感器技术的应用 62.超声波传感器在医学上的应用 63.超声波传感器在测量液位的应用 64.超声波传感器在测距系统中的应用 6三、小结 7参考文献 7超声波传感器及其应用一、超声波传感器概述1.超声波声波是物体机械振动状态的传播形式。
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。
超声波传感器的应用
extern void cs_t(void);
extern void delay(uint); data uchar dispram[5]; data uchar testok;
void display()
{ int j; for(j=0;j<=3;j++) {P0=tab1[dispram[j]];
TM
《电子系统设计》 成都理工大学工程技术学院 石坚
14
14
超声接收程序（外中断0）
void cs_r(void) interrupt 0 { TR0 = 0; ET0 = 0; EX0 = 0; testok = 1;
}
/*超时清除程序（内中断T0）*/ void overtime(void) interrupt 1 {
if (1 == testok) { time = TH0; time = (time<<8) | TL0; /*高8位左移并与低8位合并*/ time *=172; time /= 10000;%(172T0/10000) dispram[0] = (uchar) (time % 10); time /= 10; dispram[1] = (uchar) (time % 10); time /= 10; dispram[2] = (uchar) (time % 10); dispram[3] = (uchar) (time / 10); if (0 == dispram[3]) dispram[3] = 17; } else if(testok==2){ { dispram[0] = 16; dispram[1] = 16; dispram[2] = 16; dispram[3] = 16; } } for (i=0; i<300; i++) display(); } }
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。
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。
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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。
103MPa·s 1）
纵波声速 cL（km/ s
）
横波声速 cs（km/s）
钢
7.8
Байду номын сангаас
46
5.9
3.23
铝
2.7
17
6.32
3.08
铜
8.9
42
4.7
2.05
有机玻璃
1.18
3.2
2.73
1.43
甘油
1.26
2.4
1.92
—
水（20℃） 1.0
1.48
1.48
—
油
0.9
1.28
1.4
—
空气
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• （1）反射定律
• 入射角 的正弦与反射角'的正弦之比等于波速
之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等
时，入射角 等于反射角'。
• （2）折射定律
• 入射角 的正弦与折射角的正弦之比等于超声波
在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的 波速c2之比，即
• sin / sin = c1 / c2
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机械手定位
2018/9/22 8
超声波传感器 应用举例（续）
纸卷直径检测
2018/9/22 9
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平整度测量
2018/9/22 10
超声波传感器 应用举例（续）
超长距离检测
2018/9/22 11
超声波传感器 应用举例（续）
流水线计数
2018/9/22 12
一、超声波流量计
2018/9/22
14
F1发射的超声波到达 F2的时间较短
2018/9/22 15
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 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F1发射出第一个超声脉冲，它通 过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大 后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲 。 紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测 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f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频 率差 f与被测流速v成正比 。 F
1
F2
发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧
2018/9/22
17
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）
2018/9/22
18
超声波流量计现场使用
2018/9/22
19
超声波多普勒测量车速
2018/9/22
20
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， 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 叫做多普勒效应。测 出f 就可得到运动速 度。
2018/9/22
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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 4—反射小板 5—电子开关
2018/9/22 32
超声波测量液位和物位
喇叭形 超声发生器
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Hale Waihona Puke 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。
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。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。
2018/9/22
1
超声波传感器应用举例
2018/9/22
2018/9/22
21
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
2018/9/22
22
超声波测距
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。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 在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。
2018/9/22 34
本章作业 p108：2、3、5
2018/9/22 35
休息一下
2018/9/22
36
2018/9/22
7 - 5
24
手持式超声波测厚仪
2018/9/22
25
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）
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 电源：二节七号（AAA）电池， 可连续工作不少于72小时 使用温度：-10°C ~ 40°C 存储温度：-20°C ~ 70°C 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含电池）
2018/9/22
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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，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所经历的来回 距离，再除以2，就得到厚度 ：
1 ct 2
F1发射的超声波先到达 T1
2018/9/22 13
测量流量原理分类
时间差法测量流量原理：在被测管道上下 游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和 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
逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播 速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的 时间差t，可得到流体的平均速度及流量。
2
超声波传感器应用举例（续）
2018/9/22
3
超声波传感器应用举例（续）
质量检查
2018/9/22
紧固件的安装错误检测
4
超声波传感器应用举例（续）
叠放高度测量
2018/9/22 5
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（续）
透明塑料张力控制
超声波传感器应用举例（续）
2018/9/22 26
超声波测厚
石料测厚
2018/9/22
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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
2018/9/22 28
双晶超声波测厚探头
2018/9/22
29
双晶超声波测厚探头（续）
2018/9/22
30
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，根据 超声波的往返时间，就可测得 液体的液面。