4.4 超声波传感器及其应用

4位移及其相关参量的测量4.4超声波传感器及其应用蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食导入导入5.4超声波位移传感器

CONTENT01超声波的物理性质02超声波传感器的材料及结构03超声波传感器的应用5.4.1超声波及其物理性质011.1机械波的分类次声波是频率低于20赫兹的声波，次声波的特点是波长大、传播远、穿透力强。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。

1）次声波1.1声波的分类可闻声波其频率在20Hz~20kHz之间，能为人耳所闻的机械波。

2）可闻声波美妙的音乐，可以使人心情愉悦。1.1声波的分类超声波是指高于20kHz的机械波。（其中频率在3×108~3×1011Hz之间的波又称为微波）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。

3）超声波图5.4.1声波的频率界限图

当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。1.1声波的分类1.2超声波的波形声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：①纵波（LongitudinalWave）：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；

②横波(TransverseWave)：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；1.2超声波的波形④板波(Platewave,LambWave):声波传播在当板较薄时，板的两个边界面都会有影响，声波在两个自由边界上均会发生反射，叠加后形成。兰姆波又分为对称型(S型)和非对称型(A型)，指因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波知组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动。③表面波（SurfaceWave）：质点的振动介于横波与纵波之间，在固体表面的平衡位置作椭圆轨迹沿着固体的表面向前传播的波，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。板波示意图。上方为s模，下方为a模。1.3声速、波长及指向性

1）声速

超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为式中：ρ——介质的密度；

Bn——绝对压缩系数。上述的ρ

、

Bn都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。1.3声速、波长及指向性另外，声阻抗Z是描述介质传播声波特性的一个物理量，介质的声阻抗为介质密度ρ与声速C的乘积，即Z＝ρC在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为E—杨氏模量；

—泊松比；G—剪切弹性模量。纵波横波表面波1.3声速、波长及指向性2）波长超声波的波长λ与频率f的乘积等于声速C

C＝λf

3）指向性超声波声源发出的超声波束是以一定的角度向外扩散的。如右图所示。在声源的中心轴线上声强最大，随着扩散角度的增大声强逐步减小。半扩散角、声源直径D以及波长λ之间的关系为：

sinθ＝1.22λ/D

1.4超声波的反射与折射1）反射定律入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比，当入射波和反射波的波形相同，波速相等时，反射角α′等于入射角α。2）折射定律

入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波波速C1与折射波波速C2之比，即入射波

′界面介质1介质2反射波折射波1.5超声波的衰减

声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为

式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；

x——声波与声源间的距离；

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。5.4.2超声波传感器的结构及分类022.1超声波传感器的材料利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波传感器、探测器或换能器，也称为探头。

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，其中以压电式最为常用。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。2.1超声波传感器的材料压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。

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，超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。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。2.2超声波传感器的结构超声波探头类型超声波传感器根据探头的结构不同，可以分为：a)直探头、b)斜探头、c)双探头、d)水浸探头、这些探头适用于以液体、固体为传导介质。1）液体、固体超声波探头2.2超声波传感器的结构直探头结构如图所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。

阻尼块的作用：降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。图5.4.4

压电式超声波传感器结构磁致伸缩式磁致伸缩式超声波传感器:利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的磁致伸缩式超声波发生器是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，从而产生出超声波。磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。图5.4.5磁致伸缩超声波传感器结构示意图2.2超声波传感器的结构空气超声探头的发射和接收装置是分开设置的，两者结构也略有不同。右图为空气传导的超声波发射器和接收器的结构示意图。图中的共振盘，阻抗匹配器是为了提高超声波的发射与接收效率而设计的。a）

超声发射器b）超声接收器

1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘

4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束

2）空气超声波探头2.2超声波传感器的结构3）实物图及符号超声波振荡电路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传给超声波振子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

供给传感器。该电路通过调节R可改变振荡频率：采用脉冲变压器的超声波振荡电路

采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用NPN晶体管V放大频率可调振荡器OSC的输出信号，放大的信号经脉冲变压器T升压为较高的交流电压供给超声波传感器MA40S2S。

超声波传感器MA40S2S产生40kHz能量的超声波。

超声波振荡电路5.4.2超声波传感器结构及原理能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探测器。应用：超声波传播位移传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。特点：精度高，被测物体不受影响，使用寿命长结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式压电式超声波探头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。4.4.3超声波传感器应用超声波传感器（安装）使用形式：反射式、直射式b)反射式ＲＸＴＸＴＸＲＸ兼用型ＴＸＲＸ

a)直射式发射探头（TX）接收探头（RX）超声波测量原理基础1.时间差Δt：超声波发射和接收的时间差2.频率差Δf：超声波发射频率f和接收信号的频率f2之差异(多普勒效应)ＴＸＲＸ影响因素：超声波自身传播速度（超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关，这两者受温度影响）；流体运动速度（流体中传播时）c为波在该介质中的行进速度；vo为观察者(Observer)移动速度，若接近发射源则前方运算符号为+号,反之则为-号；vs为发射源(Source)移动速度，若接近观察者则前方运算符号为-号，反之则为+号。1.超声波测量液位和物位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。超声波测量液位和物位

喇叭形超声发生器图10-4几种超声物位传感器的结构原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播高度的分选和移动2026/8/2535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为计数或安全目的，进行人员探测超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制2026/8/2538机械手定位超声波传感器应用举例（续）2026/8/2539纸卷直径检测超声波传感器

应用举例（续）

图是超声波测厚示意图。双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲，经探头内部的延迟块延时后,该脉冲进入被测试件,在到达试件底面时,被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。这样，只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间(扣除经两次延迟的时间),再乘上被测体的声速常数,就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，也就代表了厚度值，即：超声波测厚倒车雷达交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度。多普勒法测车辆速度

鱼群探测器

2026/8/2545超声波多普勒测量风速风

风引起超声波的频率变大或变小5.4.5.3超声波流量传感器理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关。特点：超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。工作原理：传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。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。顺流逆流由于c>>v,c——超声在流体中的速度v——流体的平均流速此时超声波的传输时间将由下式确定：传感器1传感器2vDθ

Lc——超声在流体中的速度v——流体的平均流速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。根据这两束超声波在液体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差

t、相位差φ或频率差f等方法，可测量出流体的平均速度及流量。超声波流量传感器工作原理2026/8/2550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）超声波传感器测温度主控器发射电路探头反射板控制电路时钟电路计数器放大整形接收波发射波超声波传感器测密度超声波探伤传感器穿透法探伤：

穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。

反射法探伤：

反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。（1）穿透法探伤

优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。穿透法探伤原理

（2）一次脉冲反射法一次脉冲反射法探伤原理（3）多次脉冲反射法多次脉冲反射法探伤原理案例：输油管检测检测机器人无损探伤

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：

铁磁材料采用磁粉检测法导电材料采用电涡流法非导电材料采用荧光染色渗透法

放射线（x光、中子）照相检测法超声波探伤法

表面探伤内部探伤2026/8/25591、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。2026/8/25602、X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.2026/8/25613.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2026/8/25621、超声波探伤分类

（1）A型超声探伤:

A型探伤的结果以二维坐标图形式给出。它的横坐标为时间轴，纵坐标为反射波强度。可以从二维坐标图上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但较难识别缺陷的性质、类型。2026/8/2563起始波缺陷反射波底波工件缺陷