超声波传感器原理与特性(精)
超声波传感器原理与特性
Ultrasonic sensor principles and characteristics
课程内容 Course Contents
1.1超声波传感器的定义 1.2超声波传感器的原理
1.3超声波传感器的结构
1.4超声波传感器的特性 1.5超声波传感器的性能指标
1.1超声波传感器的定义
正向压电效应
逆向压电效应。
1.3 超声波传感器的结构
超声波探头结构如图所示，它主要 由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护 膜、引线等组成。
导电螺杆 接线片
金属壳
吸收块
压电晶片多为圆板形，厚度为 δ 。 超声波频率 f与其厚度δ成反比。压电晶 片的两面镀有银层，作导电的极板。 阻尼块的作用：降低晶片的机械品 质，吸收声能量。如果没有阻尼块,当激 励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振 荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率 变差。
传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处灵敏 度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器 的接收灵敏度最高， 而在中心频率两侧则迅速衰减。
接收超声波
发送超声波
1.4 超声波传感器的特性
(2) 指向性特性
方向角(-6dB) ：从超声波传感器轴线到声压降6dB处的角度
1.4 超声波传感器的特性
1.5 超声波传感器的性能指标
超声波传感器-性能参数
THANK YOU
(3) 阻抗特性
并联谐振
阻抗
串联谐振 频率 超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱 动电压较高，是电压驱动型传感器。
1.5 超声波传感器的性能指标
（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。
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。
us015超声波传感器原理
us015超声波传感器原理一、引言us015超声波传感器是一种常用的测距传感器，广泛应用于机器人、无人机、自动驾驶等领域。
本文将从原理的角度对us015超声波传感器进行详细介绍。
二、超声波传感器的基本原理us015超声波传感器通过发射和接收超声波来实现测距。
其基本原理如下：1. 发射超声波：传感器内部的发射器会发出一束超声波脉冲信号，通常频率为40kHz。
2. 超声波的传播：超声波在空气中传播速度为343米/秒，当遇到障碍物时会发生反射。
3. 接收超声波：传感器内部的接收器会接收到反射回来的超声波信号。
4. 计算测距：通过测量发射和接收超声波之间的时间差，通过速度和时间的关系，可以计算出物体与传感器的距离。
三、us015超声波传感器的结构us015超声波传感器由发射器、接收器和控制电路组成。
1. 发射器：发射超声波信号的装置，通常由压电陶瓷材料制成。
2. 接收器：接收反射回来的超声波信号的装置，也是由压电陶瓷材料制成。
3. 控制电路：负责控制发射和接收超声波信号的时序，并计算测距结果。
四、us015超声波传感器的工作过程us015超声波传感器的工作过程可以分为四个步骤：1. 发射超声波信号：控制电路发送一个信号给发射器，使其发射一束超声波脉冲。
2. 接收超声波信号：控制电路切换到接收模式，接收器开始接收反射回来的超声波信号。
3. 测量时间差：控制电路记录发射和接收超声波的时间，计算出时间差。
4. 计算测距：利用时间差和超声波在空气中的传播速度，通过简单的公式计算出物体与传感器的距离。
五、us015超声波传感器的特性和应用us015超声波传感器具有以下特性：1. 非接触测距：传感器工作原理决定了它可以实现非接触测距，适用于各种情况。
2. 高精度：传感器的测距精度通常在1-2cm之间，可以满足大多数应用的精度要求。
3. 高可靠性：传感器采用压电陶瓷材料，具有耐高温、耐腐蚀等特性，使用寿命长。
4. 反射面要求：传感器对物体的反射面要求较高，一般要求物体表面光滑、均匀。
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无接触式传感器，通过发射超声波并接收其反射信号来实现测量、距离和检测等功能。
在工业、汽车、医疗和消费电子等领域被广泛应用。
本文将介绍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的特性。
声波是一种机械波，传播速度较快，频率一般在20kHz至200kHz之间。
传感器通过发射超声波并接收其反射信号，可以测量物体的距离、位置和速度等参数。
超声波传感器通常由发射器、接收器和控制电路组成。
发射器产生超声波，通常采用压电材料，如PZT（铅锆酸钛）晶体。
当施加电压时，PZT晶体会振动，并在其表面产生超声波。
超声波的频率可以根据应用的需求进行调整。
发射的超声波在空气中以声速传播，当超声波与物体相遇时，会发生反射。
接收器接收到反射的超声波，并将其转换成电信号。
接收器通常也是采用压电材料，同样是PZT晶体。
当超声波击打到PZT 晶体上时，晶体被压缩产生电荷，这个电信号被传送到控制电路。
控制电路对接收到的电信号进行处理，计算出超声波的往返时间。
根据声波的速度和往返时间，可以计算出物体与超声波传感器之间的距离。
传感器可以通过测量超声波的往返时间来检测物体的位置或移动速度。
超声波传感器具有高精度、快速响应和广泛的测量范围等优点。
它可以测量非常小的距离，例如几毫米，也可以测量较长的距离，例如几米。
这使得超声波传感器在许多应用中变得非常重要。
超声波传感器广泛应用于工业自动化中的测距和检测任务。
例如，在机器人操作中，超声波传感器可以帮助机器人感知并避开障碍物。
在汽车行业，超声波传感器用于倒车雷达系统，可以帮助驾驶员避免碰撞。
此外，超声波传感器还用于医疗行业的诊断设备和消费电子产品，如智能手机的距离检测。
尽管超声波传感器在许多应用中具有优势，但也存在一些限制。
例如，超声波的传播受到环境因素的影响，如温度、湿度和空气密度等。
此外，超声波传感器对目标物体的特性也有一定的要求，如目标物体必须具有足够的表面反射性。
车辆传感器基础—超声波传感器
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。
一、超声波及其物理性质
超声波种类
纵波
横波
表面波
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
相对于传统概念的武器，次声波武器具有隐蔽性强、传播
速度快、传播距离远、穿透力强、不污染环境和破坏设施
等特点，从而被列为新概念武器家族的重要成员，势必成
为未来战场上的武器新宠。
一、超声波及其物理性质
早在上世纪60年代，发达国家就竞相研究
次声波武器。1972年法国国家实验中心制
成一台强次声发生器，首次试验就使5公里
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
二、超声波探头及耦合技术
接触式直探头原理
超声脉冲电压输入端
接地端
二、超声波探头及耦合技术
接触式斜探头
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
二、超声波探头及耦合技术
超声波的工作原理
压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而
变形，内部会产生极化现象，同时在其表面上
产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电
的状态，这种现象称为压电效应。
逆压电效应
在电介质的极化方向上施加交变电场和电压，它
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超声波传感器的工作原理
导电 螺杆
它主要由压电晶片、吸收块 （阻尼块）、保护膜、引线等组 成。 压电晶片多为圆板形， 厚度 为δ 。超声波频率f与其厚度δ 成反金 属 壳 比。压电晶片的两面镀有银层， 作导电的极板。 阻尼块的作用是 吸 收 块 降低晶片的机械品质， 吸收声能 量。 如果没有阻尼块，当激励的 电脉冲信号停止时， 晶片将会继 保 护 膜 续振荡， 加长超声波的脉冲宽度， 使分辨率变差。 图 压电式超声波传感器结构
《传感器应用技术》
超声波传感器的工作原理
工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用 压电材料的压电效应来工作的：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； 而正压电效应是将超声
振动波转换成电信号，可作为接收探头。
《传感器应用技术》
d
接线 片
压电 晶片
《传感器应用技术》
超声波传感器的工作原理
d
~ ~
磁致伸缩式
图9.3.2
磁致伸缩超声波发生器
磁致伸缩式超声波传感器: 利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的 • 磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的 交替变化即机械振动，从而产生出超声波。 • 磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起 材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感应， 磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后 记录或显示出来。
电气自动化技术专业 教学资源库
《传感器应用技术》课程
5-2 超声波传感器
5-2-2 原理与特性
《传感器应用技术》
目 录
1
超声波传感器的特点与结构
2
超声波传感器工作原理
《传感器应用技术》
超声波传感器的特点与结构
能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为 超声波换能器或超声波探测器。 • • 特点： 精度高，被测物体不受影响，使用寿命长 结构： 直探头、斜探头、双探头和液浸探头