超声波传感器

题 目 超声波传感器 学 院

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学 号 学生姓名 指导教师

2016 年 6 月 17 日所属课程名称 《传感器原理及其应用》

超声波传感器

【摘要】

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 超声波流量测量 超声波探伤 总结

1.结构、工作原理

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、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声

波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，

或者超声探头。

图1.超声波传感器

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接

收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可

分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆

波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

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，特别时诊断

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

作而不产生失效。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。

图2. 超声波传感器实图

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变

形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原

理，当给由两片压电陶瓷或 一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动

器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发

射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动 时，就会产

生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该

复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的

双压电晶片元件振动器的一 个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能

有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集

在振动器的中央部位。

室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露

水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底

座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器

人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的

超声波辐射。

利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz

的情况下，是不可能达到此目的的。所以，在高频率探测中，必须使

用垂直厚度振动模式的 压电陶瓷。在这种情况下，压电陶瓷的声阻

抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为2.6×

107kg/m2s，而空气的声阻抗为 4.3×102kg/m2s。5个幂的差异会导

致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。一种特殊材料粘附在压电

陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻 抗相匹配。这种结构

可以使超声波传感器在高达数百kHz频率的情况下，仍然能够正常工

作。

1.2系统构成 超声波传感器主要由如下四个部分构成：

1、发送器：通过振子（一般为陶瓷制品，直径约为15 mm）振动产

生超声波并向空中幅射。

2、接收器：振子接收到超声波时，根据超声波发生相应的机械振动，

并将其转换为电能量，作为接收器的输出。

3、控制部分：通过用集成电路控制发送器的超声波发送，并判断接

收器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小。

4、电源部分：超声波传感器通常采用电压为DC12V ± 10 % 或 24V

± 10 %外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。

2.超声波传感器的应用

2.1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

所示。

超声波传感器1超声波传感器2

L t1=c+v Lt2=

c - v

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

2Lv ∆t=t2-t1=22c-v

由于c>>v, 从上式便可得到流体的流速， 即

c2

v=∆t 2L

超声波传感器2

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：

D

t1=c+vsinθ

D

t2=c-vsinθ

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。

2.2 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。

B 图6. 反射法探伤示意图 图5. 穿透法探伤示意图

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。

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.优缺点

1、现在的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40KHz~500KHz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3~5V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，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。

4.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。

4.参考资料

[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）

[2]曾光奇、胡均安.工程测试技术基础[M].华中科技大学出版社.2010