第10章 超声波传感器
超声波传感器.ppt
9.1 超声波及其性质
◆图9-4所示即为超声波在各类介质中的衰减情形， 读者在图中将会发现频率愈低的超声波衰减愈 小。
图9-4 超声波的衰减
9.1.5 超声波的指向性
9.1.5 超声波的指向性
如图9-5所示，使一个半径为R的圆 板波源呈活塞状振动，发射出具有
λ波长的超声波，则其指向角θ可以 表示为sinθ=λ／R。
9.1 超声波及其性质
9.1.1 超声波的频率范围
人听到响声是由于乐器的振动，经过周围 的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经 感受到响声。 ◆音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决 于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围 为16Hz—20KHz，但此频率范围的界限与音的 强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音 范围大致可绘成如果9-1所示的关系图。
Siren
振动子
水晶 Rochelle盐
ADP
钛酸钡 锆酸钛酸铅
镍 AF合金 Ferrite
发生周期数K Hz
20—30000 0.2—1000 0.2—1000
介质
气体，液体， 固体
液体，固体 液体，固体
10—10000 液体，固体
10-100
气体，液体， 固体
5—50 2—100 0.2—250
9.1.2超声波的种类
◆超声波的发射方式不同，造成了超声波种类的不同，大致上可
分
为五类，如图所示，图（a）的纵波
（Longitudinal Wave）又称压缩波
（Compression Wave），介质粒子的振
动与波的进行方向一致，专供强力超
声波的运用。
图(b)为纵波，比起图(a)的纵波，波速 慢了许多，主要是因为此类纵波是在 直径较小的棒中传输。
《传感器与检测技术(第2版)》课后习题10 辐射与波式传感器(66)
第10章辐射与波式传感器一、单项选择题1、下列对红外传感器的描述错误的是（）。
A. 红外辐射是一种人眼不可见的光线B. 红外线的波长范围大致在0.76~1000μm之间C. 红外线是电磁波的一种形式，但不具备反射、折射特性D. 红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。
2、对于工业上用的红外线气体分析仪，下面说法中正确的是（）A．参比气室内装被分析气体 B.参比气室中的气体不吸收红外线C．测量气室内装N2 D. 红外探测器工作在“大气窗口”之外3、红外辐射的物理本质是（）A．核辐射 B．微波辐射 C．热辐射 D．无线电波4、对于工业上用的红外线气体分析仪，下面说法中错误的是（）A．参比气室内可装N2 B.红外探测器工作在“大气窗口”之内C．测量气室内装被分析气体 D.参比气室中的气体要吸收红外线5、红外线是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。
它的波长范围大致在 ( )到1000μｍ的频谱范围之内。
A.0.76nmB.1.76nmC.0.76μｍD.1.76μｍ6、在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和（）。
这里所说的“远近”是相对红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离而言。
A.微波区B.微红外区C.X射线区D.极远红外区7、红外辐射在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是0.2～2.6μｍ、3～5μm和（）,统称它们为“大气窗口”。
A.8～14μｍB.7～15μｍC.8～18μｍD.7～14.5μｍ8、红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据。
其中响应波长范围（或称光谱响应），是表示探测器的（）相应率与入射的红外辐射波长之间的关系。
A.电流B.电压C.功率D.电阻9、光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照下，产生（）。
使材料的电学性质发生变化。
通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。
光子效应所制成的红外探测器。
A.光子效应B.霍尔效应C.热电效应D.压电效应10、当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫（）。
《传感器与检测技术》课件——第10章 流量传感器及其应用
2．流量检测中常用的物理量 （1）密度 ：表示单位体积中物质的量，其数学表达式为 对于液体，在常温常压下，压力变化对其容积影响甚微，所以工程上通常将液体视为不可压缩流体，即可不考虑压力变化对液体密度的影响，而只考虑温度对其密度的影响。对于气体，温度、压力对单位质量气体的体积影响很大，因此在表示气体密度时，必须指明气体的工作状态（温度和压力）。 （2）黏度：是表征流体流动时内摩擦黏滞力大小的物理量，有动力黏度和运动黏度。 二者之间的关系为：v =h/r。 （3）雷诺数Re：是表征流体情况的特征数。其计算公式为 式中， 为管径； 为流速；r为流体密度；h为动力黏度； 为运动黏度。
（2）管道条件。 ① 安装节流装置的管道应该是直的圆形管道，管道直度用目测法测量。上下游直管段的圆度按流量测量节流装置的国家标准规定进行检验，管道的圆度要求是在节流件上游至少2D（实际测量）长度范围内，管道应是圆的。在离节流件上游端面至少2D 范围内的下游直管段上，管道内径与节流件上游的管道平均直径D 相比，其偏差应在±3%之内。 ② 管道内表面上不能有凸出物和明显的粗糙不平现象，至少在节流件上游10D 和下游4D 的范围内应清洁、无积垢和其他杂质，并满足有关粗糙度的规定。 ③ 节流件前后应有足够长的直管段，在不同局部阻力情况下所需要的最小直管段长度。
10.2 容积式流量传感器
电子测量技术(第二版)第10章非电量的测量
第10章 非电量的测量
(5) 位移传感器法：通过位移传感器，将被测位移量的
变化转换成电量(电压、电流、阻抗等)、流量、光通量、磁 通量等的变化，间接测位移。根据传感器的转换结果，可分 为两类：一类是将位移量转换为模拟量，如电感式位移传感 器、电容式位移传感器；另一类是将位移量转换为数字量，
第10章 非电量的测量
量范围宽、速度快；便于实现远距离测量和集中控制；便于 实现静态和动态测量；方便利用计算机进行信号的处理和记 录等。随着传感技术的发展，应用电测技术手段去测量非电
第10章 非电量的测量
10.1
距离是指(两物体)在空间或时间上相隔的长度。本章所 讲的距离测量主要针对空间上的间隔测量。位移测量是线位 移和角位移测量的统称，实际上就是长度或距离以及角度的 测量。距离与位移测量在工程中应用很广，这不仅因为机械
第10章 非电量的测量
图10.5 典型的光学多普勒测速系统
第10章 非电量的测量
10.2.3
1. 加速度传感器ADXL345 ADXL345是ADI公司的一款三轴、数字输出的加速度 传感器。ADXL345具有+/－2 g、+/－4 g、+/－8 g、+/－16 g可变的测量范围，最高13 bit分辨率，固定的4 mg/LSB灵敏 度，3 mm×5 mm×1 mm超小封装，40 μA～145 μA超低功 耗，标准的I2C或SPI数字接口，32级FIFO存储，以及内部多 种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。ADXL345系统 框图与管脚定义如图10.6
第10章 非电量的测量
常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体 中的传播速度为
超声波测距的误差为
sd=vsΔt+Δtsv
超声波传感器的工作原理
超声波传感器的工作原理1、超声波传感器概述超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。
电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。
有的超声波传感器既作发送，也作接收。
小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23～25kHz及40～45kHz。
这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。
另有一种密封式超声波传感器，它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好，如下图所示。
▲超声波探头2、超声波传感器的类型与组成超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器、防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。
超声波传感器由发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）、控制部分与电源部分组成。
发送传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测，如下图所示。
▲超声波发射接收器a）超声波发送器b）超声波接收器而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收传感器的陶瓷振子。
控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
若对发送传感器内谐振频率为40kHz的压电陶瓷片（双晶振子）施加40kHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40kHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏密程度可由控制电路调制），并传给波接收器。
接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40kHz正弦电压。
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。
VEX10-超声波传感器
示例程序(仿生小狗)
挑战二
迷宫避障
任务描述： 使用超声波传感器躲避障碍 物。一键启动，从起点位置到达 终点位置，直行与转弯显示不同 的颜色。
STEM
距离传感器使用声波检测距离 返回值以毫米为单位
STEM
超声波传感器
• 作用：
• 超声波传感器使机器人能够探测障碍物；
• 原理：
• 声波检测距离， 超声波传感器有两个端口， 一个发出超声波， 一个接收返回的超声波，传感器通过检车声波发出和返回的时 间差来计算离障碍物的距离。探测范围为60mm-4000mm. • 如果距离传感器不能探测到障碍物，将会返回距离最大值 26214mm。
超声波传感器
• 现实生活中（in real life ）
Q&A 问题
什么是阈值？对于距离传感器而言，阈值的作 用是什么？
阈值即临界值，代表一组数据的 分界线； 在距离传感器中，阈值主要用于 判断自身与外界物体的距离远近。 距离大于阈值为远，距离小于阈值 为近。
虚拟练习
Forward Until Near 设计流程图 利用clawbot距离传感 器实时检测自身与红色 方块的距离； 使clawbot向后移动， 直至离红色方块距离小 于500mm时停止。
第一章
if(条件) { 语句1； } else { 语句2； } * 可以在语句之间有选 择的执行。条件满足则 执行一些语句， 条件
不满足这执行另外一些
语句
STEM
挑战一
仿生小狗
要求： 使用超声波传感器编写程序，当人与机 器人的距离大于200mm时，机器人快速向人 靠近；当人与机器人的距离小于200mm大于 140mm时，机器人停止运动；当人与机器人 的距离小于140mm时，机器人远离人。
第10章-超声波传感器ppt课件
热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器
的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理 参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所 吸收的红外辐射。
特点：热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展 到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广 泛。
.
超声波马达 超声波马达(UltraSonic Motor)的简称是：USM，最
早应用于照相机上是Canon EF系列镜头。现在，很多 数码相机或摄像机镜头用超声波马达进行对焦。 原理：利用超声波振动能量变换成转动能量的来工作 的。 超声波马达分环形和 微型超声波马达两种。
.
超声波传感器应用举例（续）
D
t2
cos c v sin
t t2 t1
.
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的 流体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是 浆状流体， 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 超声 波流量计可用来对自来水、工业用水、 农业用水等进行测量。 还适用于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。
.
图10-14 声波的频率范围图
.
声波的分类 1.次声波
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
美妙的音乐可使人陶醉。
.
3.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
传感器分类：单换能器和双换能器。
单换能器的传感器发射 和接收超声波使用同一 个换能器。
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第十章 辐射式传感器
超声波的基本性质
③表面波。质点振动介于纵波和横波之间， 如图所示。沿着固体表面传播，振幅随深度增加 而迅速衰减，实际上在距表面一个波长以上的地 方，振动己近消失。
工业应用中主要采用纵波。
第十章 辐射式传感器
表面波
第十章 辐射式传感器
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）
压电材料的固有频率与晶体片厚度d有关， 即 f n c
2d
压电片
厚度 d
式中，n=1，2，3，…是谐波的级数；c为波
在压电材料里的传播速度(纵波)；
u
c
E
式中，E为杨氏模量；为压电材料的密度。
超声波
图9.图31.01.1 压压电电式式超超声声波传波感传器感器
第十章 辐射式传感器
对于石英晶体：E=7.70 1010 N/m2 ， 2654 kg/m3 ，对于锆钛酸铅： E=8.300 1010 N/m2 7400 kg/m 3
压电片
u
超声波
图9.图31.01.1 压压电电式式超超声声波传波感传器感器
厚度 d
第十章 辐射式传感器
第10章 超声波传感器
10.1.1 超声波的发生
压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用 的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片上施加 交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图10.1所示。
超声波塑料 焊接机
第十章 辐射式传感器
超声波金 丝焊接机
第十章 辐射式传感器
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
第十章 辐射式传感器
超声波在医学 检查中的应用
胎儿的 B超影像
第十章 辐射式传感器
超声波的基本性质
因此，压电材料的固有频率为 f n E
2d 根据共振原理，当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共 振，这时产生的超声波最强。压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几 十MHz的高频超声波，产生的声强可达几十W／cm2。
压电片
u
超声波
图9.图3.101.1 压压电电式式超超声声波波传传感器感器
2.传播速度
超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。 介质的弹性性能越好，密度越小，则介质的声速越 大。
由于液体和气体的剪切弹性模量几乎为零，所以 超声波在液体和气体中没有横波。
第十章 辐射式传感器
超声波的基本性质
气体中的声速为344m/s、液体中声速在 900~1900m/s；
在固体中纵波、横波、表面波三者的声速有一 定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半， 表面波约为横波声速的90%。
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
第十章 辐射式传感器
超声波的基本性质
（2）波型转换 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。各种波型都符合反射及折射定律。
1.波型及其转换 （1）波型 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，超声波的波型也不 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，它只能在固体中传播。
第十章 辐射式传感器
纵 波
第十章 辐射式传感器
厚度 d
第十章 辐射式传感器
超声波
蝙蝠能发 出和听见 超声波。
第十章 辐射式传感器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
蝙蝠依靠超声波捕食
第十章 辐射式传感器
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
第十章 辐射式传感器
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。
~
图10.2磁致伸缩超声波发生器
d
图9.3.2 磁致伸缩超声波发生器
第十章 辐射式传感器
10.1.3 超声波的接收
在超声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发 生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的超声波接收器是 利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。
当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个 界面上产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到 测量电路，最后记录或显示出结果。它的结构和超声波发生器基本 相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。
超声波发生器的机械振动固有频率的表达式与压 电式的相同，即 f n E
2d
如果振动器是自由的，则n=l，2，3，…， 如 果 致振伸动缩器超的声中波间发部生分器固的~ 定材，料则，除n=镍1，外3，，还5，有…铁。钻磁 钒合金(铁49%，钴49%，钒2%)和含锌、镍的铁氧 体。
d
~
~
d
图9.3.2 磁致伸缩
第十章 辐射式传感器
第10章 超声波传感器 10.1 超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检测的测量元件。声波 是一种机械波。声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质 中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。人耳所能听闻的声波其频 率在20～20000Hz之间，频率在20～20000Hz以外的声波不能引起声音 的感觉。频率超过20000Hz的叫做超声波，频率低于20Hz的叫做次声波。 超声波的频率可以高达911Hz，而次声波的频率可以低达9-8Hz。
在钢材中（纵波）声速约5000m/s。
第十章 辐射式传感器
10.1.2 磁致伸缩超声波发生器
磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。 镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流 磁场，再加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。
磁致伸缩超声波发生器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， 从而产生超声波。磁致伸缩超声波发生器是用厚度 为0.1～0.4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少 涡流电流损失。其结构形状有矩形、窗形等，如图 10.2所示。