超声波传感器（传感技术课件）

任务8.1霍尔传感器任务8.2压电传感器项目8其他类型的传感器任务8.3超声波传感器任务8.4光纤、红外、激光传感器超声波传感器是将声信号转换为电信号的声电转换装置，习惯上又称为超声波转换器或超声波探头。它是利用超声波产生、传播及接收的物理特性工作的。8.3超声波传感器

次声波

分类可闻声波

超声波声波次声波

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。频率20Hz—20KHz可闻声波频率高于20KHz

蝙蝠能发出和听见超声波依靠超声波捕食超声波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,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。声波超声波传感器概述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。

超声波传感器概述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。

超声波传感器概述超声波传感器有发射、接收两部分发射元件—利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波。接收元件—利用压电材料的正压电效应，将超声波振动转换为电信号。目前市场销售的超声波传感器产品，通常标有谐振中心频率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。

超声波传感器的工作原理典型外形及符号利用压电效应的原理制成，是利用了逆压电效应，即施加如40KHz高频电压，压电片根据所加的高频电压极性伸长或缩短，于是发射频率是40KHz的超声波。经被测物反射后接收器接受，再利用压电材料的正压电效应，转换成电荷，经测量转换电路，记录或显示结果。压电式超声波探头的结构图超声波探头结构如图所示,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。超声波探头超声波探头实物图超声波传感器的特性1、频率特性：发射与接受的灵敏度都以中心频率向两边逐渐降低。在使用中，一定用接近中心频率的交流电压来驱动超声波发生器。产品通常标有谐振中心频率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。2、超声波传感器的指向性：超声波的指向性为超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象。频率越高，指向角越小，越适合检测。3、超声波传感器的温度特性：一般说温度越高，中心频率、灵敏度、输出声压电平越低。宽范围环境温度使用时，需温度补偿。超声波传感器的特性应用：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。根据发射和接收换能器的功能,传感器又可分为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均使用一个换能器,而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。

几种超声波物位传感器的结构原理示意图应用：超声波物位传感器上图给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置水中,让超声波在液体中传播。由于超声波在液体中衰减比较小,所以即使发生的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方,让超声波在空气中传播,这种方式便于安装和维修,但超声波在空气中的衰减比较厉害。对于单换能器来说,超声波从发射到液面,又从液面反射到换能器的时间为：（h为液体深度）h—换能器距液面的距离

v—超声波在介质中传播的速度应用：超声波物位传感器对于双换能器来说,超声波从发射到被接收经过的路程为2s,而s=因此液位高度为

h=（s2-a2）1/2式中:s—超声波反射点到换能器的距离;a—两换能器间距之半。

应用：超声波物位传感器从以上公式中可以看出,只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间,便可以求得待测的物位。超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点,但若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在一般使用条件下,它的测量误差为±0.1%,检测物位的范围为10-2～104m。

应用：超声波物位传感器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

：

应用：超声波测厚度超声波测厚石料测厚

某超声波测厚仪指标

显示方法∶128*32LCD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）纸卷直径检测叠放高度测量透明塑料张力控制超声波传感器在线测量质量检查紧固件的安装错误检测物件放置错误检测

流水线计数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。（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。）多普勒效应：声波频率在声源移向观察者时变高,而在声源远离观察者时变低。如：当一辆救护车迎面驶来的时候，听到声音越来越高；而车离去的时候声音越来越低。超声波用于高效清洗当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”。超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声换能器气泡波浪清洗物超声波用于高效清洗无损探伤人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。路轨断裂事故无损探伤的方法对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。无损检测的方法：铁磁材料采用磁粉检测法导电材料采用电涡流法非导电材料采用荧光染色渗透法

放射线（x光、中子）照相检测法超声波探伤法

表面探伤内部探伤磁粉检测法磁悬液磁粉检测仪将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。X光探伤将x光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷.超声波探伤超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是X光探伤所达不到的深度。A型超声探伤反射波形裂纹超声波探伤分类（1）A型超声探伤:A型探伤的结果以二维坐标图形式给出。它的横坐标为时间轴，纵坐标为反射波强度。可以从二维坐标图上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但较难识别缺陷的性质、类型。（2）B型超声探伤:B型超声探伤的原理类似于医学上的B超。它将探头的扫描距离作为横坐标，探伤深度作为纵坐标，以屏幕的辉度（亮度）来反映反射波的强度。它可以绘制被测材料的纵截面图形。

超声波探伤分类（3）C型超声探伤:目前发展最快的是C型探伤，它类似于医学上的CT扫描原理。计算机控制探头中的三维晶片阵列（面阵），使探头在材料的纵、深方向上扫描，因此可绘制出材料内部缺陷的横截面图，这个横截面与扫描声束相垂直。横截面图上各点的反射波强通过相对应的几十种颜色，在计算机的高分辨率彩色显示器上显示出来。经过复杂的算法，可以得到缺陷的立体图像和每一个断面的切片图像。B型超声探伤—超声波在医学检查中的应用

胎儿的B超影像CT（电子计算机断层扫描）CT全称为电子计算机X射线断层扫描技术（ComputedTomography），它是利用X射线对人体进行体层检查。CT检查可以这么理解：X线的扫描等于把人体压成一张薄薄的纸来观察，但是只有一个方向，CT就是把人切成一个个薄片，相当于多层的X线扫描。钢轨探伤车滑板式探头高速钢轨探伤车铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）超声探伤仪构件的超声探伤A型超声波探伤应用起始波缺陷反射波底波工件缺陷A型超声波探伤演示A型探伤超声探伤的计算设：显示器的x轴为10

s/div(格)，现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。已知纵波在钢板中的声速CL=5.9×103m/s。求：1）t

及tF；