传感器及检测技术（第四版）课件 24.超声波传感器的应用

……………超声波传感器的应用传感器技术与应用武汉职业技术学院

熊晓倩课程内容CONTENTS多普勒效应测流量04具体应用举例05时间测距法01倒车雷达03测液位02一、时间测距法超声波测距

由超声波的发射端发射一束超声波，在发射的同时，计时开始，发射出去的超声波在介质中传播，声波具有反射特性，当遇到障碍物时就会反射回来，当超声波的接收端接收到反射回来的超声波时，计时停止。一、时间测距法时间测距法

已知超声波在介质中的传播速度，测量出从发射到接收所需的时间，就可以计算出障碍物的距离。测距的公式如式所示L=c*T/2

式中L为测量的距离长度；C为超声波在介质中的传播速度；T为测量出传播时间。

当介质为空气时，声速为340m/s，根据记录的时间t，利用公式可以计算出发射位置与障碍物之间的距离。二、测液位测液位

利用超声波测距原理可以进行液位的测量。如图，超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，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。二、测液位测液位

根据发射和接收换能器的功能，传感器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使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器完成。二、测液位测液位对于单换能器，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间设为t，则h=ct/2式中，h为换能器距液面的距离；c为超声波在传播的速度。对于双换能器，液位高度则为式中，s=ct/2；2a为两个传感器探头的直线距离。

三、倒车雷达倒车雷达

采用超声波测距原理，当车辆挂进倒车挡倒车时，倒车雷达自动进入工作状态，在控制器的控制下，由安装在车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物产生回波信号，传感器接收到回波信号后，经控制器进行数据处理，从而计算出车体与障碍物之间的距离，判断出障碍物的位置。三、倒车雷达倒车雷达

随着对车辆越来越高的要求，车用超声波传感器的要求也在不断提高，主要从三个方面要求：精度、防护等级、可靠性。三、倒车雷达倒车雷达

车用超声波传感器的测量误差需控制在1%以内，超声波传感器的精度如果不达标，会导致检测信息不准确，会影响驾驶员判断，微小的偏差可能会造成大的后果。三、倒车雷达倒车雷达

由于车辆的使用环境比较复杂，因此需要超声波传感器防护等级要高，至少要防水耐高温。此外，作为在车辆上大规模使用的传感器，超声波传感器的可靠性会对车辆整体产生极大的影响。四、超声波流量传感器超声波流量计

常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法基本原理是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。四、超声波流量传感器超声波流量计

将超声脉冲能量以一定的角度在管壁内的两个传感器与流体之间传递；流体的流速将在一定程度上影响了超声脉冲在两个传感器之间的传播时间。

从上游传感器到下游传感器，声速和流体速度混合并变快。从下游传感器到上游传感器，声速抵消了流体速度，变慢。上下游传播时间的净时间差与流速数值成正比。四、超声波流量传感器超声波流量计顺流传播时间：逆流传播时间：由上述顺流时间和逆流时间可推导出正逆程时间差：最终我们可以得到气体的平均流速为：式中：t1为顺流时间；t2为逆流时间；L代表传播路径；θ为传播路径与水平夹角。四、多普勒效应测流量多普勒效应测流量

多普勒超声波流量计流速测量基于多普勒效应。

探头斜向上发出一束超声波，超声波在流体中传播，流体中会含有气泡或者颗粒等杂质（可以认为流体中的杂质和水流的速度一致），当超声波接触到流体中的杂质时会使反射的超声波产生多普勒频移Δf，多普勒频移Δf正比于流速。四、多普勒效应测流量多普勒效应测流量

通过测量多普勒频移Δf即可测量出流体的流速。换能器1发射频率为f1的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或者气泡后，频率发生偏移，以f2的频率反射回来，

这就是多普勒超声波流量计的测量原理。

f2与f1之差即为多普勒频差fd。fd=f2-f1=2vf1sinθ/c

其中流体流速为v，超声波声速为c，fd为多普勒频移，θ为传播路径与水平夹角。四、多普勒效应测流量多普勒效应测流量时差法测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。则流体流速为：式中：C为超声波传播速度；φ为声波传播方向和流体流速方向的夹角；L为两个传感器之间的距离t1、t2分别是顺流和逆流方向，超声波到达接收器的时间。五、具体应用举例超声波传感器

超声波还可以用来进行无损检测，它可以检查金属材料、部分非金属材料的表面和里面缺陷，如焊缝中裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、气孔等缺陷。

超声波在介质中传播时，在不同质界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时