超声波式传感器

9:17AM14.6超声波式传感器

机器鱼自动避障模块设计对于自动避障，本项目通过一个超声波传感器来实现。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声传感器（收发一体化TR）发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收，然后将这一接收信号放大后送入单片机。9:17AM24.6.1超声波及其物理性质

波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播声波：其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于16Hz的机械波超声波：高于2×104Hz的机械波微波：频率在3×108~3×1011Hz之间的波9:17AM3图：声波的频率界限图9:17AM4

次声波是频率低于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。产生次声波的声源是相当广泛的，现在人们已经知道的次声源有：火山爆发、坠入大气层中的流星、极光、地震、海啸、台风、雷暴、龙卷风、电离层扰动，等等。利用人工的方法也能产生次声波，例如核爆炸、火箭发射、化学爆炸，等等。大面积瞬间杀人于无形的次声波武器1.次声波9:17AM51980年，一艘名叫“马尔波罗”的帆船在由新西兰驶往英国的途中突然神秘地失踪；20年后，却在火地岛附近被人发现。船上的一切都原封不动、完好如初。就连已死多年的船员也都各就各位，保持着工作状态。科学家对他们的神秘死亡引起了极大的关注，经过长期研究，终于发现，原来他们正是死于海上风暴产生的次声。

次声波的危害9:17AM61992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。

9:17AM7次声波武器按照感官刺激分类，目前研制出来的次声武器可分为两种。一种是神经型次声武器，它通过发射频率与人脑的“阿尔法节律”相近（约5Hz）的次声波，刺激人的神经，使人晕眩头痛、精神错乱。另一种是器官型次声武器，通过发射频率与人体内脏固有频率相当（4～8Hz）的次声波，使人出现恶心呕吐、胃痛、呼吸困难等症状。

相对于传统概念的武器，次声波武器具有隐蔽性强、传播速度快、传播距离远、穿透力强、不污染环境和破坏设施等特点，从而被列为新概念武器家族的重要成员，势必成为未来战场上的武器新宠。

9:17AM8

早在上世纪60年代，发达国家就竞相研究次声波武器。1972年法国国家实验中心制成一台强次声发生器，首次试验就使5公里以内的人员受到伤害。上世纪

80年代法国科学家加弗罗制出了一种“大哨笛”次声发生器，声压级为160dB，能对人体器官产生损伤，当时法国报纸称它为“次声枪”。1979年苏联秘密进行次声炸弹试验，由于当时对其威力估计不足，又缺乏良好防护，造成数名现场人员死亡。法国科学家加夫雷奥声波武器鼻祖9:17AM9美国更是不甘落后。美国陆军武器研究室研制出一种可延伸至17米长的喇叭型声炮，发射功率达20kW（千瓦）。上世纪70年代，美警方开发了使人“僵化”或失去战斗力的次声武器，来控制骚乱。据称美国干涉波黑内战时，曾秘密用过这些非致命次声武器，仅几秒钟就使塞军阵地陷入一片混乱，有人昏倒，有人呕吐不止。

远程声波设备目前已经广泛用于反暴乱和反恐行动,图为装备LRAD的美军“斯特赖克”装甲车9:17AM10次声波的应用通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。(2)利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如，

通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。9:17AM11(3)次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。(4)人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且他(或它)们的某些器官也会发出微弱的次声波。因此，可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。9:17AM122.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。9:17AM133.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。9:17AM14蝙蝠依靠超声波捕食9:17AM15

超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。

超声波雾化器超声波加湿器9:17AM16压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。超声波塑料焊接机9:17AM17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9:17AM18

鱼群探测器

把这种探测器放在海里，它就会向水底发射声波，如果有鱼群通过，鱼群吐出的大量水泡会使声波反射回来，并通过压电陶瓷接收声波，变成电讯号，人们就可以从仪器上知道鱼群的位置。用同样的方法，也可以探测到海底暗礁，侦察在海洋里活动的敌人的潜水艇。9:17AM19美国蜂鸟595C系列鱼群探测器（GPS卫星定位彩屏3￥7580

）9:17AM20超声波在医学检查中的应用

胎儿B超影像9:17AM21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。超声波清洗应用范围非常广泛，主要应用于机械、电子、光学、医药、电镀、涂装及真空镀膜前处理等行业。特别适用于表面形状复杂的零件，如对精密工件上的狭缝、凹槽、深孔、肓孔的清洗，同时能够清洗掉零件表面油污、锈蚀及氧化皮。特别对制药行业各种玻璃制器及内外科器械的清洗效果最为理想，不仅能达到清洗的目的，还能对玻璃器皿内外壁附着的各种微生物、病菌起到粉碎作用，达到消毒灭菌的作用。9:17AM22超声波清洗原理及清洗器

超声换能器气泡波浪清洗物9:17AM23电子行业专用超声波清洗机电子零件的清洗/元器件的基体清洗/PCB板的清洗/电子材料加工成型后的清洗

珠宝行业专用超声波清洗机

液晶行业专用超声波清洗机

9:17AM244.6.2超声波物理基础

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。9:17AM25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。横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播。表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，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。蓝姆波：蓝姆波沿着板的两个表面及中部传播。超声波种类9:17AM26纵波9:17AM27横波

9:17AM28表面波9:17AM29图10-2超声波的反射和折射超声波的反射和折射9:17AM30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。4.6.3超声波传感器原理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，在检测技术中压电式最为常用。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,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；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头；由于其结构不同，分为直探头式、斜探头式和双探头式。9:17AM31压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。

1.超声波的发生

式中，n=1，2，3，…是谐波的级数；c为波在压电材料里的传播速度(纵波)；

式中，E为杨氏模量；为压电材料的密度。

压电材料的固有频率与晶体片厚度d有关，即因此，压电材料的固有频率为根据共振原理，当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波，产生的声强可达几十W／cm2。9:17AM32磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场，再加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。其结构形状有矩形、窗形等，如图所示。磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围以内，但功率可达十万W，声强可达几千W／cm2，能耐较高的温度。9:17AM332.超声波的接收在超声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。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。9:17AM34超声波传感器对9:17AM35

超声波探头：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。9:17AM36各种超声波探头常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）

外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。保护膜接插件9:17AM37接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）

压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件9:17AM38各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz9:17AM39接触法双晶直探头

将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。发射晶片接收晶片9:17AM40各种双晶直探头

焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45

~70

9:17AM41接触法双晶斜探头（续）9:17AM42

水浸探头

（可用自来水作为耦合剂）

选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。9:17AM43超声波探头中的压电陶瓷芯片

将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。9:17AM44耦合剂

超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。9:17AM45

超声波的应用有两种基本类型：当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。

4.6.4超声波传感器应用9:17AM46超声波传感器应用举例

9:17AM47超声波传感器应用举例（续）9:17AM48超声波传感器应用举例（续）质量检查紧固件的安装错误检测9:17AM49叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）9:17AM50超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测9:17AM51超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制9:17AM52机械手定位超声波传感器应用举例（续）9:17AM53纸卷直径检测超声波传感器应用举例（续）9:17AM54平整度测量超声波传感器应用举例（续）9:17AM55超长距离检测超声波传感器应用举例（续）9:17AM56流水线计数超声波传感器应用举例（续）9:17AM57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。案例1.超声波探伤(1)穿透法探伤穿透法探伤是根据超声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。穿透法探伤示意图9:17AM58(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。反射法探伤示意图高频脉冲发生器产生的脉冲(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T、缺陷波F及底波B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。9:17AM59超声波探伤tA9:17AM60无损探伤

材料的缺陷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9:17AM61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。无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、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、霍尔元件探伤法等。

9:17AM62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。9:17AM63X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。9:17AM64

计算机断层成像技术(CT)是一种重要的无损检测技术(NDT)，是物理学与计算机科学的发展产物。它是基于射线与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像，全面解决了传统x射线摄影装置的影像重叠、密度分辨率低等缺点。（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）计算机断层成像技术(CT)探伤9:17AM65CT探伤成像（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）9:17AM66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9:17AM67A型超声波探伤起始波缺陷反射波底波工件缺陷9:17AM68钢轨探伤车滑板式探头

9:17AM69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）9:17AM70铁路钢轨探头

铁路钢轨对接焊缝探测用探头缺陷铁路钢轨探伤用滑板式探头焊缝9:17AM71

管道环焊缝超声波检测装置

管道环焊缝超声波检测装置原理9:17AM72超声探伤仪9:17AM73构件的超声探伤9:17AM74构件的超声探伤（续）9:17AM75构件的超声探伤9:17AM76案例2.超声波测液位超声波测液位示意图超声波测液位是利用回声原理进行工作的，如图所示。当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过时间t后，探头接收到从液面反射回来的回音脉冲。因此探头到液面的距离L可由下式求出超声波速度c在各种不同的液体中是不同的；即使在同一种液体中，由于温度和压力的不同，其值也是不同的。因为液体中有其他成分的存在及温度的不均匀都会使超声波速度发生变化，引起测量的误差，故在精密测量时，要考虑采取补偿措施。利用这种方法也可以测量料位。式中，c为超声波在被测介质中的传播速度；t为超声波发生器发出超声波到接收到超声波的时间差。由此可见，只要知道超声波的速度，通过精确测量时间t的方法，就可以测量出距离L。9:17AM77超声波测量液位和物位原理

在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。9:17AM78超声波测量液位和物位

喇叭形超声发生器9:17AM79在超声波测厚技术中，应用较为广泛的是脉冲回波法，原理：主要是测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在工件中传播的速度求出工件的厚度。主控制器产生一定频率的脉冲信号，并控制发射电路把它经电流放大后接到超声波发生器上去。超声波发生器产生的超声脉冲进入工件后，被底面反射回来，并由同一个超声波发生器接收。接收到的脉冲信号经放大器加至示波器垂直偏转板上。标记发生器输出一定时间间隔的标记脉冲信号，也加到示波器的垂直偏转板上。扫描电压加到示波器的水平偏转板上。这样，在示波器荧光屏上可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号。接收间的时间间隔t，试件的厚度d可用下式求出案例3.超声波测厚度标记信号一般可以调节，根据测量的要求选择。如果预先用标准试件进行校正，可以根据荧光屏上发射与接收两个脉冲间的标记信号直接读出被测工件的厚度。超声波测厚度示意图9:17AM80手持式超声波测厚仪9:17AM81超声波测厚石料测厚9:17AM82超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚9:17AM83双晶超声波测厚探头9:17AM84双晶超声波测厚探头（续）9:17AM85案例4.超声波测距

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。9:17AM86案例5.超声波测流量超声波流量传感器的测定原理是多样的,如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传输时间差法。时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。F1发射的超声波先到达

T19:17AM87F1发射的超声波到达F2的时间较短F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差

f与被测流速v成正比。F2F19:17AM88

发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧9:17AM89超声波换能器在管道上的配置方式9:17AM90同侧式超声波流量计的使用

（参考北京菲波仪表有限公司资料）9:17AM91超声波流量计现场使用超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点,可测流体种类很多,不论是非导电的流体、高粘度的流体、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。还可用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量。9:17AM92图4-105超声波流量测量原理a）发射器与接收器的安装位置 b）电路组成框图

9:17AM93案例6.超声波多普勒测量车速9:17A