超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波传感器可分为整体式和分离式，具有独立完成发射和接收超声波的功能。图5-2-17 焊缝跟踪的横波探头非接触式超声波传感器通过气体介质传播超声波，采用纵波形式，由于超声波在气体介质中传播损耗大，所以必须加入匹配层进行声、电匹配，利用聚焦超声透镜技术提高空气超声波传播器的灵敏度。目前，空气超声波传感器已应用于二氧化碳气体保护焊和埋弧焊。......
2023-06-26
超声波传感器应用及原理概述
【摘要】：超声波传感器概述声波类型声波是一种机械波。超声波传感器的应用1）超声波传感器如图3－35所示，空咖啡罐盒经漏斗灌装后，需达到规定的高度才可封装，其检测传感器多使用超声波传感器。图3－36超声波传感器测液位示意简图超声波的速度在各种不同的液体中是不同的。图3－37超声波传感器防碰撞示意简图4）超声波防盗报警器图3－38为超声波防盗报警器电原理框图。发射器发射出频率f＝40 kHz左右的连续超声波。
声波类型
声波是一种机械波。
①可闻声波：振动频率为20 Hz～20 kHz时，可为人耳所感觉。
②次声波：振动频率在20 Hz以下人耳无法感知，但许多动物却能感受到。例如，地震发生前的次声波就会引起许多动物的异常反应。
③超声波：振动频率高于20 kHz的机械振动波。
超声波的特点是指向性好，能量集中，穿透本领大，在遇到两种介质的分界面（如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似光波。
超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等类型。
超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等类型，在检测技术中主要采用压电式。
（2）超声波传感器的应用
1）超声波传感器
如图3－35所示，空咖啡罐盒经漏斗灌装后，需达到规定的高度才可封装，其检测传感器多使用超声波传感器。
声波类型
声波是一种机械波。
①可闻声波：振动频率为20 Hz～20 kHz时，可为人耳所感觉。
②次声波：振动频率在20 Hz以下人耳无法感知，但许多动物却能感受到。例如，地震发生前的次声波就会引起许多动物的异常反应。
③超声波：振动频率高于20 kHz的机械振动波。
超声波的特点是指向性好，能量集中，穿透本领大，在遇到两种介质的分界面（如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似光波。
超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等类型。
超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等类型，在检测技术中主要采用压电式。
（2）超声波传感器的应用
1）超声波传感器
如图3－35所示，空咖啡罐盒经漏斗灌装后，需达到规定的高度才可封装，其检测传感器多使用超声波传感器。
2）超声波液位计
超声波传感器测液位是利用回声原理进行工作的，如图3－36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波脉冲。因此，只要知道超声波的传播速度，通过精确测量时间t的方法，就可测量距离L。
图3－35 咖啡罐自动流水线示意图
2）超声波液位计
超声波传感器测液位是利用回声原理进行工作的，如图3－36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波脉冲。因此，只要知道超声波的传播速度，通过精确测量时间t的方法，就可测量距离L。
图3－36 超声波传感器测液位示意简图
超声波的速度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、压力的不同，其值也是不同的。因为液体中其他成分的存在及温度的影响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，要采取补偿措施。利用这种方法也可测量料位。
3）超声波测距计
如图3－37所示，汽车倒车探头装在后保险杠上，探头以45°角辐射，上下左右搜寻目标。倒车雷达显示器装在驾驶台上，它不停地提醒司机车距后面物体还有多少距离。到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，让司机停车。数字式显示器安装在驾驶台上，距离直接用数字表示。例如，1.5～0.8 m为安全区，0.8～0.3 m为适当区，0.3～0.1 m为危险区。
利用换能器的压电特性，以电压激发压电片，该压电片随即产生声波并发射出去。当发射出去的声波接触物体时，会反射微弱的能量给换能器，经信号放大处理后传送至微处理器判断与该物体的距离，并由微处理器决定是否驱动蜂鸣器发出警示音。距离大于50 cm：不发出警示音；距离为30～50 cm：发出第一种警示音；距离小于30 cm：发出第二种警示音。
图3－36 超声波传感器测液位示意简图
超声波的速度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、压力的不同，其值也是不同的。因为液体中其他成分的存在及温度的影响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，要采取补偿措施。利用这种方法也可测量料位。
3）超声波测距计
如图3－37所示，汽车倒车探头装在后保险杠上，探头以45°角辐射，上下左右搜寻目标。倒车雷达显示器装在驾驶台上，它不停地提醒司机车距后面物体还有多少距离。到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，让司机停车。数字式显示器安装在驾驶台上，距离直接用数字表示。例如，1.5～0.8 m为安全区，0.8～0.3 m为适当区，0.3～0.1 m为危险区。
利用换能器的压电特性，以电压激发压电片，该压电片随即产生声波并发射出去。当发射出去的声波接触物体时，会反射微弱的能量给换能器，经信号放大处理后传送至微处理器判断与该物体的距离，并由微处理器决定是否驱动蜂鸣器发出警示音。距离大于50 cm：不发出警示音；距离为30～50 cm：发出第一种警示音；距离小于30 cm：发出第二种警示音。
图3－37 超声波传感器防碰撞示意简图
4）超声波防盗报警器
图3－38为超声波防盗报警器电原理框图。上图为发射部分，下图为接收部分的电原理框图。它们装在同一块线路板上。发射器发射出频率f＝40 kHz左右的连续超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移Δf。
图3－37 超声波传感器防碰撞示意简图
4）超声波防盗报警器
图3－38为超声波防盗报警器电原理框图。上图为发射部分，下图为接收部分的电原理框图。它们装在同一块线路板上。发射器发射出频率f＝40 kHz左右的连续超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移Δf。
图3－38 超声波防盗报警器电原理框图
图3－38 超声波防盗报警器电原理框图
多普勒效应
所谓多普勒效应是指当超声波源与传播介质之间存在相对运动时，接收器接收到的频率与超声波源发射的频率将有所不同。产生的频偏±Δf与相对速度的大小及方向有关。当高速行驶的火车向你逼近和掠过时，所产生的变调声就是多普勒效应引起的。接收器将收到两个不同频率所组成的差拍信号（40 kHz以及偏移的频率40 kHz±Δf）。这些信号由选频放大器（40 kHz）放大，并经检波器检波后，由低通滤波器滤去40 kHz信号，而留下Δf的多普勒信号。此信号经低频放大器放大后，由检波器转换为直流电压，去控制报警喇叭或指示器。
利用多普勒效应可以排除墙壁、家具的影响（它们不会产生Δf），只对运动的物体起作用。由于振动和气流也会产生多普勒效应，故该防盗报警器多用于室内。根据本装置的原理，还能运用多普勒效应去测量运动物体的速度，液体、气体的流速，汽车防碰、防追尾等。
超声波技术作为近代的新技术正逐步应用到检测技术中，特别是在环境条件恶劣或要求无接触测量的许多场合，超声检测更显示了它的优越性。
多普勒效应
所谓多普勒效应是指当超声波源与传播介质之间存在相对运动时，接收器接收到的频率与超声波源发射的频率将有所不同。产生的频偏±Δf与相对速度的大小及方向有关。当高速行驶的火车向你逼近和掠过时，所产生的变调声就是多普勒效应引起的。接收器将收到两个不同频率所组成的差拍信号（40 kHz以及偏移的频率40 kHz±Δf）。这些信号由选频放大器（40 kHz）放大，并经检波器检波后，由低通滤波器滤去40 kHz信号，而留下Δf的多普勒信号。此信号经低频放大器放大后，由检波器转换为直流电压，去控制报警喇叭或指示器。
利用多普勒效应可以排除墙壁、家具的影响（它们不会产生Δf），只对运动的物体起作用。由于振动和气流也会产生多普勒效应，故该防盗报警器多用于室内。根据本装置的原理，还能运用多普勒效应去测量运动物体的速度，液体、气体的流速，汽车防碰、防追尾等。
超声波技术作为近代的新技术正逐步应用到检测技术中，特别是在环境条件恶劣或要求无接触测量的许多场合，超声检测更显示了它的优越性。
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2023-06-26
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