超声波传感器详解40页PPT

数字式超声波振荡电路
振荡器产生的高频电压通过耦合电容CP供给超声波振子MA40S2S。CC4049的
H1和H2产生与超声波频率相对应的高频电压信号， H3～H6进行功率放大，再
经过耦合电容CP
MA40S2S。超声波振子若长时间加直流电
压，会使传感器特性明显变差， 因此，一般用交流电压通过耦合电容CP 供
b超声波在空气中传播2a2a19第7章超声波传感器20液位测量储油罐分选第7章超声波传感器21超声波液位计第7章超声波传感器22mdarse型室外保安机器人多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器第7章超声波传感器23为计数或安全目的进行人员探测第7章超声波传感器24堆置高度控制厚度测量第7章超声波传感器25脉冲回波法检测厚度工作原理超声波测厚第7章超声波传感器图910超声波测厚1双晶直探头2引线电缆3入射波4反射波5试件6测厚显示器图是超声波测厚示意图
α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。
声波衰减原因： 扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮
粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而 形成散射。 吸收衰减：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7章 超声波传感器
超声波液位计
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第7章 超声波传感器 多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器
MDARS-E型室外保安机器人
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第7章 超声波传感器
为计数或安全目的，进行人员探测
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第7章 超声波传感器 堆置高度控制

在医疗设备领域，超声波传感器可用于 实现无创血压、血氧饱和度等生理参数 的测量。
在工业自动化领域，超声波传感器可用 于检测工件的位置、尺寸和表面质量等。
在机器人技术领域，超声波传感器可用 于实现机器人对周围环境的感知和定位。
03
超声波传感器技术
信号处理技术
01
02
03
信号增强
通过放大电路或数字信号 处理技术，对微弱的超声 波信号进行增强，提高信 号的信噪比。
医疗领域
超声波传感器在医疗领域主要用于诊 断和监测，如超声成像、血流速度测 量等。
交通领域
超声波传感器可以用于车辆安全系统， 如倒车雷达、碰撞预警等，提高驾驶 安全性。
农业领域
在农业领域，超声波传感器可用于土 壤湿度、植物生长监测等方面，提高 农业生产效率和智能化水平。
06
总结与展望
本课程总结
超声波传感器原理介绍
在化工、石油、制药等领域，超声波传感器能够检测气体成分，如氧 气、氮气、二氧化碳等，实现气体浓度的实时监测和控制。
温度监测
超声波传感器可以用于温度监测，尤其在高温或低温环境下，能够实 现快速、准确的温度测量。
其他领域应用案例
总结词
除了工业检测和环境监测领域，超声 波传感器还广泛应用于医疗、交通、 农业等领域。
气体型超声波传感器主要用于气 体流速、流量和压力等参数的测量。
液体型超声波传感器主要用于液 位、流速和流量等参数的、厚度和形状等参数的测量。
04
超声波传感器的应用领域
超声波传感器广泛应用于工业自动化、 机器人技术、医疗设备、环境监测等领域。
在环境监测领域，超声波传感器可用于 测量空气质量、气体成分和温度等参数。
超声波传感器利用压电效应原理，将高频声波转换为电信号，

漫反射光电开关
光幕光电传感器
11、超声波探伤的原理
• 超声波探伤是利用超声能透入金属材料的 深处，并由一截面进入另一截面时，在界 面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的 一种方法，当超声波束自零件表面由探头 通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就 分别发生反射波来，在萤光屏上形成脉冲 波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置 和大小。
第三章超声波传感器
3、什么是超声波单晶探头、双晶探 头、斜探头？用途？
• 单晶探头特点：1、适用于探测晶片正下方与 声速方向垂直的缺陷。2、探测深度较大，使 用范围较广。3、检测灵敏度高。 • 双晶探头特点：1、双晶片声场重叠区域灵敏 度高，一般用于定位检测。2、探测深度较少。 3、检测灵敏度较高。 • 斜探头特点：1、适合探测探头斜下方不同角 度方向的缺陷。2、探测深度较少，适用单晶 探头难以探测的部位。3、检测灵敏度较高。
设计题：1、如图A在一批异形工件上安 装有两颗螺栓，如何设计检测装置在线 检测工件时是否如图所示的缺螺栓？
• 最佳的方式是把他按一定的顺序放在输送上往 前输送，在工件的上方相应的位置设置两传感 器，检测螺栓相对传感器的距离，然后根据距 离与标准值的差异来判断是否缺螺栓。
3、如图，如何设置传感器，使货箱 被送到导轨上的叉车后，叉车能够 自动把货箱送到指定的仓格内？
• 在升降机架上方加焊一横梁，然后在上面 安装一单晶直探头，再在仓库相应每一格 的顶端加焊相应的定位条，就可以实现目 的。
5、设计4种或以上的用超声波传感 器检测水罐内液体高度的方案。
如图上所示为脉冲回波式测量液位的工作原理 图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面， 经液面反射后又被探头接收。测量发射与接收 超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即 可求出探头与液面之间的距离

在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
原理简述
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。
超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传 感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感 器的接收器，从而使传感器检测到被测物。
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和 超声波测厚两种。
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压电式超声波接收器是有时就用同一个换能兼做发生和 接受器两种用途。
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压电陶瓷芯片
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超 声 波 流 量 计 现 场 使 用
石料测量
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在固体中，当固体是细棒时，声速为
当固体是薄板时，声速为
CL
E
如果是无限介质，则声速为
E1
②横波声速；
CL 2(1)
对于无限介质的固体，其横波声速为
CL
E 1 (1)1(2)
K4G 3
③表面波声速
CS
E1
2(1)
G
Cg 0.817 1.12
E1
2(1)
第二页，编辑于星期五：十四点 三十四分。
（5）介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最 强。
常用的天线有喇 叭形天线、抛物 面天线、介质天 线与隙缝天线等， 如图12—33所示。
第十二页，编辑于星期五：十四点 三十四分。
（二） 微波传感器
第九页，编辑于星期五：十四点 三十四分。
6、超声波测流量（流速）
有以下几种方法 ： （1）时差法测流速 （2）相位差法测流速 （3）频率差法测流速
7、油井超声波成像测试
超声电视测井系统是利用一个旋转的 超声探头向井壁发射超声脉冲，检测 回波的强弱进行调制成像。整个系统 包括现场测试设备和室内图像处理设 备两大部分。现场测试设备的原理框 图如图12—29所示。
第十页，编辑于星期五：十四点 三十四分。
8、超声波诊断仪
（1）振幅（Amplitude）型超声波诊断仪 振幅型超声波诊断仪即A超，其原理如图12—30所示，
（2）超声波心动图仪。又称为M型超声诊断仪或超声波心动图仪。如图12— 31所示，
（3）B型超声波诊断仪。B超接收两种信号：一为超声回波的强度信息，二是 超声探头的位置信息。
声波的能量；接收换能器的作用是把超声波的能量转换成易于检测的电能量。 超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头和液浸探头。 超声波传感器按工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等

无创无痛
实时监测
医学超声成像系统能够实时获取人体 内部结构的图像，有助于医生及时发 现病变并进行诊断。
医学超声成像系统具有无创、无痛、 无辐射的特点，对患者的身体不会造 成伤害，特别适合孕妇和儿童的检查。
工业无损检测技术
检测材料内部缺陷
工业无损检测技术利用超声波传感器对材料进行无损检测，能够 检测出材料内部的裂纹、气孔、夹杂物等缺陷。
工业检测
01
无损检测
超声波传感器在工业领域中广泛应用于无损检测，通过向材料发射超声
波并分析回声信号，可以检测材料内部是否存在缺陷、裂纹或气孔等问
题。这种检测方法具有高精度和高效率的特点。
02
流量和液位测量
超声波传感器可用于测量流体的流量和液位高度。通过测量超声波在流
体中传播的时间或频率，可以推算出流体的流速、流量或液位高度等信
此外，随着物联网、人工智能等技术的不断发展，超声波 传感器在智能感知和物联网领域的应用前景也值得进一步 探讨和研究。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
可以分为压电式、磁致伸 缩式、电磁式等类型的超 声波传感器。
按工作频率分类
可以分为低频、中频和高 频超声波传感器。
按用途分类
可以分为医用、工业用、 军用等不同类型的超声波 传感器。
03 超声波传感器的应用领域
医学诊断
医学诊断
超声波传感器在医学领域中广泛应用于诊断和监测。通过向人体发射超声波并接收其回声 ，可以无创地检测和评估器官、血管和组织的结构和功能。例如，超声心动图用于检测心 脏疾病，超声成像用于诊断腹部和妇科疾病。
降低成本与推广应用
批量生产与制造成本降低
通过优化生产工艺和实现规模化生产， 降低超声波传感器的制造成本，促进其 推广应用。

超声波金丝焊接机
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
超声波在医学检查中的应用
胎儿的 B超影像
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。超声清洗多用于半导 体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。
超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原 理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主 要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、 表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、 空气传导探头以及其他专用探头等。
各种超声波探头
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
纵波
质点振动方向与波的传播方向一 致的波，它能在固体、液体和气体 介质中传播
质点振动方向垂直于波的传播方向的 横波 波，它只能在固体介质中传播
质点的振动介于横波与纵波之间，沿着
表面波 介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速 衰减的波，表面波只在固体的表面传播
纵波
横波
表面波
超声波的波形及其传播速度
波型的转换
各种波型均符合几何光学中的反射定律：
cLsin c来自1 cS1sin 1 sin 2
cL2
sin

磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。当超声波作用到磁 致伸缩材料上时，使磁致材料伸缩，引起它的内部磁场(即导磁特性)的变化。 根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，并将此电动势送 到测量电路及记录显示设备。它的结构也与发生器差不多。
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超声波传感器对
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纵 波
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横波
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表面波
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超声波的反射和折射
入 射波
反 射波
介 质1 介 质2
′
o
折 射波
图10-2 超声波的反射和折射
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4.6.3 超声波传感器原理
利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器，或超声波探 测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。
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1992年11月24日，桂林上空发生了一起空难，141人死亡。 当事件的原因经多方解释而未肯定之时，中国声学研究所 的专家，提出了存在着因“次声波”的作用而致使飞机坠 毁的可能性。桂林属半丘陵地带，气团依山势走向而上下 浮动，引起气流震动，会产生一种“山背波”的次声波， 当飞机遇到这种危害极大的由次声波引起的晴空湍流时， 如同落入一个风旋涡中，在挤压力、冲力等多种强劲外力 的作用下，将造成飞机失控、产生机毁人亡的恶果。还有 研究结果表明，次声波对飞机的影响还有一种“生物效 应”。该理论认为，当次声波的频率接近人体频率时，就 有可能产生“共振”，飞机驾驶员无法承受这种强烈的效 应，就有致命的危险。也就是说，此次空难的凶手很可能 就是这种次声波。
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性能指标
• 主要有三个参数： • 工作频率 • 工作温度 • 灵敏度
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• 以西安新敏电子公司产品为例，可看超声波测 距传感器常用参数：
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back
超声波测距仪（车用雷达）
• 硬件组成：AT89C51 单片机最小系统、超声波探头、超声波、发射接收 系统、DS18B20 测温系统、显示装置
超声波测距传感器
• 1.产品结构 • 2.性能分析 • 3.构
• 超声波测距传感器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。超声波测 距传感器有许多不同的结构，可分直式测距传 感器（纵波）、斜式测距传感器（横波）、表 面式测距传感器（表面波）、兰姆波式测距传 感器（兰姆波）、双式测距传感器（一个反射、 一个接收）等
• 测距原理：根据公式s = v ×t 可知,只要知道速度v 和声波在空气中行走 的时间t , 即可相乘得到距离s . 简化声波在空气中速度v 与温度的关系,有 v = 331. 5 + 0.607 t . 在0 ℃时v = 331. 5 m/ s. 常温20 ℃时v =343. 64 m/ s. 因温度所引起的速度影响将在软件里处理. 测定超声波被障碍物 反射接收时刻与超声波发出时刻差值Δt , 此Δt 即为声波在空气中的传播 时间. 在利用MCS251 系列单片机AT89C51中定时器T0 计时, 通过软件 数字处理得距离s = vt/ 2
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系统设计组成
• 1.超声波发射接收部分 • 2.放大电路 • 3.整形电路 • 4.测温电路
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谢谢观赏！
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感谢您的观看！
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第1讲 超声波传感器的特性
超声波传感器的特性
现以专用的在空气中传播的成对配套使用的超声发射 器与接收器为例来介绍： 通常发送传感器工作于输出最大的串联谐振频率，而 接收传感器工作于接收灵敏度最高的并联谐振频率；通过 实验我们发现，发送传感器的串联谐振频率与接收传感器 的并联谐振频率几乎一致。 因此超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附 近使用。超声波接收头必须采用与发射头对应的型号，关 键是谐振频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收 效果，甚至无法接收。 另外，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。
TCT40-16T发射头一般来讲工作电压可以到100V左右； 所发射的超声波采用固定的中心频率（或谐振频率）为40kHz 的波形驱动，且占空比要求为50%；两个引脚没有正负（因为 是交流驱动发射），真要分个正负的话就把有接外壳的那个脚 接到应用电路的地（这样输出信号是对地的）。 这种传感器的带宽较窄、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。
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
超声波传感器按原理划分有压电式、 磁致伸缩式、 电磁式 等等， 其中压电式最常用，我们以压电式为代表重点介绍。 人们利用压电材料的压电效应制成压电式超声波传感器 （由发送器和接收器构成）。 压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。 超声波传感器是可逆元件。 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，超声波一疏密波形式传播，传送给超声波接收器。 而超声波接收器是利用正向压电效应制成——即接收到的 超声波促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正 向压电效应，就产生与超声波频率相同的高频电压。 当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。