8.1超声波测距系统的原理与设计

1、任务八任务八 超声波传感技术及应用超声波传感技术及应用项目一项目一 超声波测距系统的原理与设计超声波测距系统的原理与设计【学习目标【学习目标】（1）了解超声波及其物理性质。（2）了解超声波传感器的应用。（3）理解超声波的性质与特点。（4）掌握超声波传感器的工作原理。 【知识准备【知识准备】一、超声波及其物理性质超声波及其物理性质 1.声波的分类声波是一种可在气体、液体、固体中传播的机械波。根据声波频率的范围，声波可分为：次声波、声波和超声波。其中，频率在20Hz20kHz的范围内时，可为人耳所感觉，称为声波；20Hz以下的机械振动人耳听不到，称为次声波；频率高于20kHz的机械振动波称为超声波

2、。 2.超声波的波形由于声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向的不同，超声波的波形也不同。通常可分为如下几种： 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体中传播。 横波：质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它只能在固体中传播。 表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。3.超声波的传播速度超声波的传播速度取决于介质的弹性系数及介质的密度。气体和液体中只能传播纵波，气体中声速为340m/s，液体中声速为9001900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系，通常认为横波声速为纵波声速的一半，表面波的声速约为横波声

3、速的90。 4.超声波的反射和折射当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上将发生反射和折射，如下图所示。满足反射定律和折射定律5.超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着距离增加，超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减。引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收 。 （1）扩散衰减 超声波在传播过程中，由于波束的扩散，使超声波的能量随距离增加面逐渐减弱的现象叫做扩散衰减。超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的性质无关。 （2）散射衰减 超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象，称为散射衰减。散射衰减与材质的晶粒密切相关，当材质晶粒粗大

4、时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在屏上引起林状回波（又叫草波），使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。 （3）吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦（即粘滞性）和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减或粘滞衰减。 二、超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理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，在检测技术中主要采用压电式。下面以压电式超声波传感器为例介绍其工作原理。压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，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

5、正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。 下图为直探头的结构图。它主要是由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。 1保护膜2吸收块3金属壳4导电螺杆5接线片6压电晶片 压电式超声波传感器结构 三、超声波传感器的应用三、超声波传感器的应用 1.超声波测距离空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声波探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。 2.超声波测厚度 双晶直探头中的压电晶片发射超声波振动脉冲，超声波脉冲到达底面时，被反射回来，并被另一件压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需要的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声波脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就是得到的厚度： 21ct 21ct 3.超声波测深度 超声波由超声换能器从水面垂直向下发射(称为垂直声纳)，如下图所示，发射超声波脉冲时会在示波管上出现发射脉冲的迹线，当发射的超声波(或声波)向下