单元10：超声波传感器及其应用

传感器与车辆检测技术单元10：超声波传感器及其应用授课人

谢永超教授授课班级

电子信息251授课日期

2026年9月单元导入：穿梭万物的“声波之眼”超声波传感器就像穿梭万物的“声波之眼”，凭借高频、方向性好、穿透力强的特性，通过声电转换将物理量变为可测电信号，是实现非接触、高精度无损检测的关键，连接着物理世界与智能感知的核心桥梁。01日常生活应用倒车雷达辅助驾驶员安全泊车，规避视野盲区风险；超声波清洗机利用空化效应清洁眼镜、首饰等精密物品；医疗B超借助超声成像清晰观察人体内部结构，实现无创健康检查。02工业自动化检测可精准检测金属板材、管道的厚度与腐蚀状况，实时监控化工储罐内的液位高度，还能以非接触方式测量管道内流体的流速，是工业生产自动化与过程控制的重要感知工具。03轨道交通装备制造通过钢轨探伤技术检测内部核伤与细微裂纹，对高铁车体焊缝进行高精度质量检测，还能自动化检测轮对内部缺陷，是保障轨道交通装备制造质量与运行安全的核心手段。教学导航与学习目标01知识目标●掌握超声波的基本概念、物理性质及传播特性，理解其在介质中的传播规律。●理解超声波探头的核心工作原理（压电效应），熟悉探头选型与耦合技术要点。●熟悉超声波在厚度测量、液位监测、流量计量及工业无损探伤中的应用原理。02技能目标●能独立分析不同类型超声波传感器的工作原理，并根据场景选择合适的传感器。●能运用脉冲回波法原理进行简单的测距、厚度计算，掌握基础数据处理方法。●能调研并分析轨道交通领域超声波检测的典型应用案例，理解工程应用逻辑。03素养目标●培养严谨细致的科学态度，树立精准测量、实事求是的工程实践工作作风。●建立对传感器技术在保障轨道交通运营安全中重要性的深刻认知与责任感。●激发探索先进制造技术、无损检测技术的兴趣，培养持续学习的创新意识。10.1超声波的基本概念与物理性质01超声波的概念机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。人能听见的声音的频率为20Hz~20kHz,即声波,超出此频率范围的声音,即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，人声频带为100Hz~8kHz。图10-1所示为声波频率的界限划分。超声波技术是以物理、电子、机械及材料学为基础，应用于各行各业的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播及接收这一物理过程来完成的。超声波在液体、固体中的衰减很小，穿透能力强，特别是对于不透光的固体,超声波能穿入几十米的深度。当超声波从一种介质射入另一种介质时，由于其在两种介质中的传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。超声波的这些特性使其在检测技术中获得了广泛应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。10.1超声波的基本概念与物理性质02超声波的反射和折射当超声波由一种介质射入另一种介质时，由于其在两种介质中的传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。由物理学可知，当入射波在介质界面上产生反射时，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时,波速相等，入射角α等于反射角α‘，如图10-2所示。当入射波在介质界面上产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波在介质1中的波速c1

与折射波在介质2中的波速c2

之比，即10.1超声波的基本概念与物理性质03超声波的波形当超声波波源在介质中的振动方向与其在介质中的传播方向不同时，形成的波形有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波,它能在固体、液体和气体中传播。质点振动方向与传播方向垂直的波称为横波，它只能在固体中传播。质点振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增大而迅速衰减的波称为表面波，它只能在固体的表面传播。横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增大衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。10.2超声波探头与耦合技术01超声波探头（换能器）【核心机制】压电效应与能量转换

基于压电效应实现电能与声能的双向转换：正压电效应将机械振动转化为电荷信号，逆压电效应将电振荡转化为超声波机械振动，是超声检测系统的能量转换核心。02耦合技术【关键作用】消除空气屏障，保障传输

核心是排除探头与被测物体表面之间的空气层（超声波强反射介质），利用机油、甘油等耦合剂填充微间隙，确保超声波能量高效、低损耗地传入被测介质。核心认知：探头是超声检测的“能量引擎”，实现电声互转；耦合技术是“传输桥梁”，解决空气对超声波的强反射阻碍。二者缺一不可，是保障超声检测信号有效发射与接收的基础前提，直接决定检测精度与可靠性。当超声波探头与被测物体接触时，两者之间存在空气薄层，空气薄层将引起界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并产生很大衰减。因此，必须将接触面间的空气排除，使超声波能顺利地射入被测介质。工业中,经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使其充满接触层，起到传递超声波的作用，这种技术称为耦合技术。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆等。10.3超声波检测技术的应用：超声波测量厚度基于脉冲回波法的厚度检测机制超声波测厚依托脉冲回波法实现无损检测：探头发射的超声脉冲穿透被测介质，抵达底面后形成反射回波并被探头接收。通过精准测量发射与接收的时间间隔，结合超声波在材料中的传播速度，即可换算出物体厚度，兼具高精度与非接触检测的优势。01脉冲回波法原理探头向被测工件发射高频超声脉冲，声波穿透介质到达底面后发生反射，形成的回波被探头再次接收，完成“发射-传播-反射-接收”的信号闭环过程。02厚度计算核心公式核心公式为h=c×t/2。其中t是发射与接收的时间间隔，c是超声波在材料中的传播速度，除以2是因声波往返于探头与工件底面。03典型工业应用场景适用于金属板材、管材的厚度抽检；压力容器与工业管道的腐蚀壁厚监测；也用于轨道交通钢轨磨耗、车体涂层厚度的快速检测。脉冲回波法测厚系统原理示意图示为超声波测厚系统的核心工作流程：主控制器触发发射电路生成超声脉冲，经换能器（探头）耦合至被测工件；声波抵达底面反射形成回波，被接收放大器捕捉并放大；信号经扫描电路与标记发生器同步后，在示波器上显示出发射波与回波的波形，通过解析两者的时间差，结合材料声速即可精确计算出工件的实际厚度。10.3超声波检测技术的应用：超声波测量液位超声波液位测量凭借非接触、高精度与适应性强的特点，成为工业液位监测的主流技术。其核心优势在于无需侵入被测介质，特别是外贴式方案，从根本上解决了易燃易爆、强腐蚀性液体的测量安全难题，在能源储运等领域具有不可替代的应用价值。01测量原理：脉冲回波法探头向液面发射超声波脉冲，利用声波的反射特性，通过精准测量发射与接收回波的时间差，结合介质中的声速参数，计算出探头到液面的垂直距离，从而反演得出液位高度。02安装方式：三种典型形态气介式（顶部安装，声波经空气传输）、液介式（底部/侧壁安装，声波经液体传输）与外贴式（容器外壁安装，无需开孔）。其中外贴式专为高危、密封介质设计，兼顾安全与便捷。03核心应用：铁路油罐车监控针对铁路油罐车的燃油/化工液体储运，外贴式超声波液位计可实现不开孔、无接触的实时监测，从源头杜绝泄漏风险，保障危化品运输的全程安全可控。10.3超声波检测技术的应用：超声波测量流量超声波流量测量技术利用声波传播特性实现非侵入式监测，不干扰流体流动状态。其核心在于捕捉声波顺流与逆流的传播差异，广泛应用于石油、化工、水利等领域的大管径及特殊流体计量。01测量基本原理利用超声波在流动介质中传播速度的偏移特性来测算流速。依据检测原理不同，主要分为利用频率偏移的多普勒效应法，以及利用传播时间差异的时差法。02时差法测量机制在管道上下游分别安装超声波发射与接收探头，精确测量声波顺流传播和逆流传播的时间差Δt。通过该时间差与管道几何参数的运算，即可推导出流体的实际流速v。03关键技术优势采用非接触式测量方式，无需破坏管道结构，不干扰流场状态；尤其适用于大管径管道、强腐蚀性流体、高粘度流体等难以安装接触式仪表的复杂工况。10.3超声波检测技术的应用：超声波探伤01核心原理核心：回波反射与分析利用超声波在介质中传播遇缺陷反射的特性，通过采集并分析反射回波的传播时间、信号幅度及波形特征，精准判定材料内部缺陷的位置、尺寸大小与物理性质，实现非破坏性的内部质量检测。02常用检测方法分类：脉冲/穿透/共振主流方法包含：脉冲反射法（最常用，直接分析缺陷回波信号）；穿透法（一发一收模式，依据接收信号的能量衰减判断缺陷）；共振法（利用工件固有共振频率，检测厚度或判定内部缺陷）。03轨道交通应用场景：全链路安全保障广泛应用于钢轨内部裂纹检测、车体关键焊缝质量探伤、轮对车轴无损检测等核心环节，是轨道交通装备制造验收与日常运维中保障行车安全的关键技术手段，被喻为列车安全的“火眼金睛”。工程总结：超声波探伤凭借非破坏性、高灵敏度与精准定位的技术优势，成为轨道交通领域保障装备安全的“工业医生”。其在关键结构件检测中的不可替代性，不仅是产品质量控制的核心环节，更为列车运行的安全可靠性提供了坚实的技术支撑与质量保障。10.3超声波检测技术的应用：轨道交通应用实例01钢轨超声探伤检测对象与隐患：重点探查钢轨内部的核伤（横向疲劳裂纹）、轨底裂纹及焊接接头缺陷。这类隐蔽病害会随列车荷载反复作用逐步扩展，是引发断轨、列车脱轨等重大事故的核心诱因。🛡️技术优势与应用现状：遵循国标全断面覆盖检测，采用多探头阵列与相控阵超声技术，实现高速动态探伤。它是线路运维的“第一道防线”，目前我国干线铁路已实现探伤车常态化巡检，精度达0.1mm级。02高铁车体铝合金焊缝检测检测对象与风险：针对高铁车体铝合金焊接结构，重点识别未熔合、气孔、疏松及微裂纹等制造缺陷。这些缺陷会降低车体的结构强度与抗疲劳性能，影响列车运行的安全性与使用寿命。🚄相控阵技术的应用价值：利用相控阵超声（PAUT）实现多角度、动态聚焦扫查，生成直观的缺陷图像，相比传统探伤更灵敏、高效且无污染。是保障车体轻量化结构安全、提升高铁制造质量的关键质控环节。💡总结：超声无损检测技术凭借高精度、非破坏性和实时成像的特性，成为轨道交通装备制造与线路运维中保障结构安全的核心手段，为高铁与铁路的安全、高效运行筑牢了坚实的质量与安全防线。10.3超声波检测技术的应用：轨道交通应用实例03列车轮对自动化超声检测核心机制：采用全自动超声波轮对检测系统（WIS），通过机器人将相控阵超声探头精准贴合轮对表面，在轮对旋转过程中完成全周、全断面的自动扫描，利用超声波的反射特性识别内部缺陷，实现智能化、无人化的探伤作业。🚄应用价值：大幅提升轮对检测的速度与精度，可精准发现内部细微裂纹、夹杂等隐患，彻底替代传统人工检测的低效与主观性，为列车走行部的安全运行提供核心保障，是轨道交通车辆段智能化检修的关键环节。04轨道交通部件泄漏检测核心机制：利用超声波检漏仪捕捉气体高速泄漏时产生的高频超声波信号，通过高灵敏度传感器接收并将声波转化为可识别的电信号，经系统分析后定位泄漏位置，整个过程无需拆卸设备，属于无损检测技术。🔍应用价值：可快速检测牵引制动系统、空调管路、风动设备等关键部件的微小泄漏，保障系统气密性与运行效率，避免因泄漏引发的动力故障或安全事故，同时满足轨道交通装备的国际检测标准与维护要求。💡总结：超声波检测技术凭借非接触、高精度、高效率与无损检测的优势，成为轨道交通装备检修与维护的核心技术之一，在轮对探伤、设备检漏等关键场景中发挥着不可替代的作用，为轨道交通的安全、稳定运营筑牢了技术屏障。10.5实训项目：倒车雷达的制作与调试项目实施目标通过本实训，掌握超声波传感器与单片机的接口技术，理解信号触发与捕获的编程方法，能够独立完成硬件电路的焊接调试及软件代码的编写与烧录，最终实现一个具备实时测距、数据显示及多级报警功能的实用倒车雷达系统。本项目通过搭建基于单片机的简易倒车雷达系统，深入理解超声波测距的脉冲回波原理，掌握传感器信号处理、时序控制及人机交互（显示与报警）的软硬件实现方法。01核心原理与硬件架构脉冲回波测距法主控发送超声波脉冲，遇障碍物反射形成回波被接收。利用时间差（发射-接收）结合声速公式S=vt/2，计算出实际障碍物距离。关键硬件组成以51/STM32单片机为核心，搭配HC-SR04超声波模块、LCD1602显示屏、有源蜂鸣器及LED指示灯，构成完整的检测与报警终端。02软件流程与功能逻辑主程序执行流程初始化端口与定时器→触发超声波发射→等待回波中断→计算时间差与距离→数据处理与阈值判断→驱动显示与报警。分级报警策略设定多级距离阈值（如10cm/30cm/50cm），距离越近，蜂鸣器鸣叫频率越快，LED闪烁越急促，实现直观的安全预警。10.5实训项目：倒车雷达的制作与调试01温度补偿关键：声速与温度强关联超声波传播速度随温度变化，公式为c≈331.4+0.6*T。需引入温度传感器实时采集环境温度，通过算法动态修正声速值，以此补偿温度漂移带来的测距误差，保障测量数据的精准度。02盲区处理重点：规避最小检测距离超声波传感器存在2-4cm的检测盲区，近距离目标无法被有效识别。需在软件中设置阈值判断逻辑，过滤该区间内的无效回波数据，同时搭配硬件触发机制，避免系统出现误报或错误的距离输出。03干扰抑制手段：算法滤波与降噪复杂环境中的回声、电磁干扰会影响测量信号。需采用多次测量取平均值、中值滤波等