第9章超声波传感器及应用
超声波的原理及应用实验
超声波的原理及应用实验1. 超声波的概述超声波是指频率超过人类听觉范围（20kHz）的声波。
超声波利用高频的机械振动，在介质中传播，并通过回波信号的接收来进行探测和测量。
超声波具有穿透力强、方向性好、无损检测等特点，在各个领域有着广泛的应用。
2. 超声波的原理超声波是通过声源的振动产生，声波振动传递给介质分子，分子间距和振动频率相当，产生相互作用力。
超声波可以通过压电效应产生。
压电材料是一种特殊的材料，可以在外力作用下产生电荷，并且在电压作用下变形。
当压电材料收到外力振动时，材料内部的分子也会跟着振动。
由于超声波的频率特别高，所以压电材料内部的分子能够形成机械振动。
超声波在介质中的传播速度与介质的密度和弹性有关。
通常情况下，超声波通过气体的传播速度最低，而通过固体最高。
3. 超声波的应用3.1 超声波测距超声波测距利用超声波传输的时间来测量物体与传感器之间的距离。
当超声波传感器发出超声波，当超声波遇到物体的表面时，一部分的声波会被物体反射回传感器。
通过测量从发射到接收的时间，利用声波在介质中传播速度已知的情况下，可以计算出物体和传感器之间的距离。
3.2 超声波成像超声波成像是利用超声波在不同介质中传播速度不同的原理进行的。
通过发射超声波，超声波进入人体组织中，当遇到不同组织（如肌肉、骨骼、血管等）的边界时，一部分的超声波会被组织反射回来。
通过接收和处理反射回来的波形信号，可以形成图像，用于医学诊断、妇科检查等领域。
3.3 超声波清洗超声波清洗是利用超声波在液体中形成的微小气泡破裂的原理进行的。
当超声波通过液体时，会在液体中形成大量的微小气泡。
这些气泡在声波的作用下不断形成和破裂，产生冲击和涡旋，从而起到清洗的效果。
超声波清洗广泛应用于金属零件清洗、眼镜清洗等领域。
3.4 超声波检测超声波检测是利用超声波在介质中传播特点进行的。
通过超声波的发送和接收，可以检测到材料中的缺陷、裂纹、气泡等。
超声波检测可以进行无损检测，不需要破坏材料表面，应用于航空航天、建筑工程、医疗器械等领域。
超声波传感器原理以及液位测量的完整实例讲解含原理图
一、超声波传感器
1、相关知识：
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。
1、工作原理：
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。
这里主要分析一下压电晶体材料的超声波传感器，压电晶体材料的超声波传感器主要应用了某些特殊材料的压电效应和
逆压电效应的特性，也就是超声波传感器的发送器和接收器两部分，发送时，在压电晶体端通上高压500V以上的高压脉冲，利用逆压电效应的特性，使晶片发射出一束频率落在超声波范围内、持续时间很短的超声振动波，超声振动波到达被测物体底部后，超声波绝大多数
所以液位H为：
H=H2-H1
通过如上的简单计算即可测得液位的高度。
4、超声波传感器的常见分类：
一、根据使用方法：可分为收发一体型、收发分体型（收发各一
只）；
二、根据结构来分：可分为开放型、防水型、高频型等；
三、根据使用环境：可分为空气中和水声换能器；等等。
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
天津电子信息职业技术学院实训报告课题名称超声波传感器的应用组号姓名学号班级专业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。
超声波传感器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可称为超声波换能器、探测器或传感器。
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, 而以压电式最为常用。
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: 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; 而利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。
超声波探头结构：主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。
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。
工作原理：人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。
超声波传感器的原理及应用
超 声 波 传 感 器 的 原 理 及 应 用
张 萍
（ 西 省 电子 工 业 学 校 ， 陕 陕西 宝 鸡 摘 要 ： 文 简 要 介 绍 了超 声 波 的 概 念 、 点 ， 本 特 阐述 了 超 声波 传 感 器 的 原 理 ， 分 析 了超 声 波 传 感 器 在 医疗 、 业 、 并 工 液 位 测 量 、 警 等 方 面 的 应 用 。超 声 渡 所 具 有 的 独特 的 性 质 ， 报 使 得 超 声 波传 感 器 在 生产 生 活 中体 现 出 了越 来越 大 的 重要 性 ， 具 有 一 定 的研 究价 值 。 关 键 词 ： 声 波传 感 器 原 理 应 用 超
程 中的 各 个 参数 ， 温 度 、 力 、 量 ， 等 ， 便 使 设 备 工 作 如 压 流 等 以 在 最佳 状 态 ， 品 达 到最 好 的质 量 。 产 ２ 世 纪 中叶 ， 们 发 现 某 些 介 质 的 晶 体 （ 石 英 晶 体 、 ０ 人 如 酒 石 酸钾 钠 晶体 、Ｚ 晶 体等 ） 高 电压 窄 脉 冲作 用 下 ， 产 生 较 ＰＴ 在 能 大功 率 的超 声 波 。它 与 可 闻声 波 不 同 ， 以被 聚焦 ， 用 于 集 可 能 成 电路 的 焊 接 、 像 管 内部 的 清 洗 ； 检 测 方 面 ， 用 超 声 波 显 在 利 有 类 似 于 光 波 的折 射 、 射 的 特 性 ， 作 超 声 波 纳 探 测 器 ， 反 制 可 以 用 于探 测 海 底 沉 船 、 方 潜 艇 ， 等 。 敌 等 现 在 超 声 波 已经 渗 透 到 我 们 生 活 中 的 许 多 领 域 ，例 如Ｂ 超、 控、 盗、 遥 防 无损 探 伤 ， 等 。 等
求得 。 ６超 声 波 传 感 器 的 应 用 ． 超 声 波 传 感 器 应 用 在 生 产 实 践 的 不 同 方 面 ， 而 医 学 应 用 是 其 最 主 要 的 应 用 之 一 超 声 波 在 医 学 上 的 应 用 主 要 是 诊断 疾病 。 已经成 为临床 医学 中不可 缺少 的诊断方 法 。 它 超 声波 诊断 的优点是 ： 受检 者无 痛苦 、 损 害 ， 法简便 ， 对 无 方 显 像 清 晰 ． 断 的 准 确 率 高 ， 等 ， 而 受 到 医 务 工 作 者 和 患 诊 等 因 者的欢 迎 。 声波诊 断是利 用超声 波 的反射原 理 ， 超 当超 声 波 在人 体组 织 中传播 遇 到两 层 声阻 抗 不 同的介 质 界 面时 ， 在 该 界 面 就 产 生 反 射 回 声 。 遇 到 ～ 个 反 射 面 时 ， 声 在 示 波 每 回 器 的 屏 幕 上 显 示 出来 ．而 两 个 界 面 的 阻 抗 差 值 也 决 定 了 回 声 振幅 的高低 。 在 工 业 方 面 ， 声 波 的典 型 应 用 是 对 金 属 的 无 损 探 伤 、 超 超 声 波 测 厚 和 测 量 液 位 等 。 去 ， 多 技 术 因 为 无 法 探 测 到 物体 过 许 组 织 内部 而 受 到 阻 碍 ， 声 波 传 感 器 的 出现 改 变 了 这 种 状 况 。 超 超 声 波 探 测 既 可 检 测 材 料 表 面 的 缺 陷 ，又 可 检 测 材 料 内部 几 米 深 的缺 陷 。 当然 更 多 的超 声 波 传 感 器 是 固定 地 安 装 在 不 同 的装 置 上 ， 悄 无 声 息 ” 探 测 人 们 所 需 要 的信 号 。 “ 地 超 声 波 测 量 液 位 的 基 本 原 理 是 ：由 超 声 探 头 发 出的 超 声 脉 冲 信 号 在气 体 中 传 播 ， 到 空 气 与 液 体 的 界 面 后 被 反 射 ， 遇 接 收 到 回波 信 号 后计 算 其 超 声 波 往 返 的传 播 时 间 即 可 换 算 出距 离或 液位 高度 。超 声 波 测 量 方 法 有 许 多其 他 方 法 不 可 比拟 的 优 点 ：１无 任 何 机 械 传 动 部 件 ， 不 接 触 被 测 液 体 ， 于 非接 （） 也 属 触 式 测 量 ， 怕 电磁 干扰 、 碱 等 强 腐 蚀 性 液 体 等 ， 此 性 能 不 酸 因 稳 定 、 靠 性 高 、 命 长 ；２ 响 应 时 间 短 ， 以 方 便 地 实 现 无 可 寿 （） 可 滞 后 的实 时 测 量 ７ 结语 ． 超 声 波 传 感 器 应 用 起来 原 理 简 单 ，也 很 方 便 ．成本 也 很 低 。但 是 目前 的超 声 波 传 感 器 都 有 一 些 缺 点 ， 比如 反 射 问题 、 噪 音 问题 、 叉 问题 ， 等 。 文简 要 介 绍 了超 声 波 的 概 念 、 交 等 本 特 点 ， 析 了超 声 波 传 感 器 的 原 理 ， 给 出 了 超 声 波 传 感 器 的 几 分 并
超声波传感器 课件
−
c
+
L
v cos
=
2Lv cos
c2 − v2 cos2
（8-18）
• 由于 c v，故上式可近似为 2Lv cos c2
则流体的平均速度为
v c2 2L cos
（8-19） （8-20）
相位法测流量以测相位角代替时差法测时间，提高了测量精度。
但同样由于超声波在流体中的传播速度受温度影响将会产生一定 的测量误差。
波，不会产生横波和表面波。
8.2 超声波传感器
•
利用超声波在超声场中的物理特性
和各种效应而制成的装置称为超声波传感
器，又称为超声波换能器或超声波探头。
超声波传感器可以实现声能和电能的互换
。以超声波作为检测技术手段，必须要产
生超声波和接收超声波。
•
超声波传感器按其工作原理，可分
为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中
对于单个超声探头而言，超声波从发射到液面，又从液
面发射到探头的时间间隔为 t = 2h • 式中，h—探头到液面的距离； v
（8-6）
v—超声波在介质中的传播速度。
则
h = v t 2
（8-7）
对于两个超声探头而言，超声波从发射到被接收经过的路程
为，而
s = v t 2
（8-8）
则液位的高度为 h = s2 − a2
的在（1～4）×103dB/mm之间。
• 3 超声波的波形转换
•
当超声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界
面上，除有纵波的反射和折射外，还有横波的反射和折射
，如图8-3所示。在一定的条件下，还能产生表面波。
L
1
L1
超声波传感器介绍及应用
简介：
A01超声波传感器，通过超声波技术对物体或人进行距离探测。
传感器防护等级可达IP67适用不同的环境。
可支持UART输出、PWM输出及开关量输出，有受控输出方式，可根据实际应用场景，把功耗降到适用。
广泛应用各场景物体接近与存在察觉、停车管理系统、智能垃圾桶满溢监测。
优势：
①完全自主研发，十年以上超声波传感器的行业经验；
②可根据客户需求研发、定制；
③成熟应用国内外多家企业、单位。
特点：
①超声波传感器不受检测物体的颜色、透明度、材质（金属、非金属）造成的影响；
②3.3V～5.0V电源供电，待机电流可低于10uA，低功耗设计，可根据实际应用，把功耗降到最低；
③专业检测模式设定，分为平面测距、人体测距、垃圾检测。
技术参数：
①工作电压：3.3-5V
②平均电流：10mA
③盲区距离：28cm
④测距最远量程：平面测距：750cm；人体测距：750cm；垃圾检测：250cm。
选型说明：
①A01A系列传感器，主要用于平面测距；可对平面物体目标进行针对性测量，可测量距离远、精度高。
②A01B系列传感器，主要用于人体测距；对人体检测灵敏，人体目标测量更加稳定，盲区内测量到物体稳定性高。
无喇叭口状态下能在200cm内稳定测量人体上半身，有喇叭口状态下能在350cm内稳定测量人体上半身。
③A01C系列传感器，主要用于垃圾检测；通过专用算法智能过滤垃圾箱边框及干扰物体而准确测量出垃圾箱内垃圾的满溢状态。