超声波传感器

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1、湖南理工学院机械学院超声波传感器班级机自11-2BF 学号 姓名 序号 6 2014 年 04 月超声波传感器简介 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、生物医学等方面关键字：结构 工作原理 应用 一：工作原理： 人们能听到声音是

2、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。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置

3、，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。 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，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，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。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40

4、KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。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。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。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。发送器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

5、能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.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器传感器社的陶瓷振子。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。二、测量的物理量及范围：超声波传感器可以实现液位、流量、黏度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6º声波发射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12º至15º

6、;的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。三.超声波传感器的应用1、超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定方法是多样的， 如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。 超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积， 便可知道流体的流量。 如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L, 如图所

7、示。 图3.超声波测流示意图 一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度， 因此超声波传播时间差为 由于cv, 从上式便可得到流体的流速， 即 图4.超声波传感器安装位置 此时超声波的传输时间将由下式确定： 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。 多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量

8、测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。2 超声波探伤 对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。 (1) 穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声

9、波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。 在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。 (2) 反射法探伤 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。下面以纵波一次脉冲反射为例，说明检测原理。 发射探头接收探头高频发生器工件放大器显示图5. 穿透法探伤示意图高频发生器工件缺陷F探头T接收放大TFBB图6. 反射法探伤示意图 高频脉冲发生器产生的脉冲

10、(发射波)加在探头上，激励压电晶体振荡，使之产生超声波。超声波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波遇到缺陷F时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面B，也反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。发射波f、缺陷波F及底波经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线为扫描线(时间基准)，其长度与时间成正比。由发射波、缺陷波及底波在扫描线的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没有F波。

11、 超声波探伤的优点是检测厚度大、灵敏度高、速度 快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。然而，超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主、客观因素的影响，以及探伤结果不便保存等，使超声波探伤也有其局限性。3、超声波传感器可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。配合新的技术可在潮湿环如洗瓶机、噪音环境、温度极剧烈变化环境等进行探测。4、超声波传感器可用于探测液位、探测透明物体和材料，控制张力以及测量距离，主要为包装、制瓶、物料搬检验煤的设备运、塑料加工以及汽车行业等。超声波传感器可用于流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。5、超声波传感器可以

12、对集装箱状态进行探测。将超声波传感器安装在塑料熔体罐或塑料粒料室顶部，向集装箱内部发出声波时，就可以据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等。6、超声波传感器可用于检测透明物体、液体、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不规则物体。但不适用于室外、酷热环境或压力罐以及泡沫物体。四、技术指标： 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：1.工作频率：工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输

13、出的能量最大，灵敏度也最高。2.工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。3. 灵敏度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。4. 指向性：超声波传感器探测的范围五、 参考价格及生产厂家：单价在几元到几十元不等。德国威声、日本富士、大禹电子、佛山云科电子、北京铭创专业、南京绿能电力等等六. 优缺点 优点:1.可做非接触式测量;2.为无流动阻挠测量,无压力损失;3.可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。 缺点：1、现在的

14、超声波传感器频率都相对固定，例如40KHz的传感器，只能用在38-42KHz上，其它频率的也类似，目前几乎见不到频域范围广的传感器，例如40KHz500KHz这样的产品；2、驱动电压较高，一般100Vp-p到1500Vp-p之间，在很多低压设备上需要脉冲变压器升压，但也会随之带来一些复杂问题。如果有35V低压驱动（较大功率）的传感器就更好了；3、灵敏度，最好能再高一些；总的来说，这些问题主要是由于超声波传感器多采用压电陶瓷材料的原因，其它材料或结构的超声波传感器，目前在国内几乎见不到。再说适用性方面，超声波用来检测，一般适合12m以内的测距（极限25米），或者测厚度、探伤、B超等，都是很适合的

15、，精度也很高。但是超过12米，例如1公里测距超声波就很难做到了。 七.使用注意事项：1.为确保可靠性及长使用寿命，请勿在户外或高于额定温度的地方使用传感器。2.由于超声波传感器以空气作为传输介质，因此局部温度不同时，分界处的反射和折射可能会导致误动作，风吹时检出距离也会发生变化。因此，不应在强制通风机之类的设备旁使用传感器。3.喷气嘴喷出的喷气有多种频率，因此会影响传感器且不应在传感器附近使用。4.传感器表面的水滴缩短了检出距离。5.细粉末和棉纱之类的材料在吸收声音时无法被检出（反射型传感器）。6.不能在真空区或防爆区使用传感器。7.请勿在有蒸汽的区域使用传感器；此区域的大气不均匀。将会产生温度梯度，从而导致测量错误。八.总结： 我们利用超声波反射、折射、衰减等物理性质，可以实现液位、流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。所以，超声波传感器已广泛地应用于工业、农业、轻工业以及医疗等各技术领域。九.参考资料：1吴建平.传感器原理及应用M.机械工业出版社 . 2009（8） 2王煜东.传感器应用电路400例M.中国电力出版社.2008（8）3曾光奇、胡均安.工程测试技术基础M.华中科技大学出版社.20104栗桂凤,周东辉,王光昕.基于超声波传感器的机器人环境探测系统.2005,(04).5童敏明,唐守锋.检测与转换技术.中国矿业大学出版社.