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超声波传感器原理及应用指导老师***姓名***学号***专业班级**级自动化*班超声波传感器的原理及应用1、概述：高于人耳听觉上限值的声波，称为超声波。超声是人耳听不到的。超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。包括超声波检测、超声波探伤、功率超声、超声波处理、超声波诊断、超声波治疗等。超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。2、超声波的基本原理：所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到20赫兹（Hz）-20千赫兹（kHz）的声波，低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波[4]。超声波是声波大家族中的一员，和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。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。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。3、应用原理：3.1超声波在医学中的应用及原理：医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。超声波诊断小常识：目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及D型四大类。A型：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。B型：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。M型：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。D型：是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔是否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。3.2、超声波测距超声波因其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远等特点，而经常用于进行各种测量。如利用超声波在水中的发射，可以测量水深、液位等．利用超声波测距，使用单片机系统，设计合理，计算处理也较方便，测量精度能达到各种场合使用的要求。3.2.1超声波测距的原理超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。3.3、超声波测液位超声波液位测量主要是以超声波测距为原理，加上合理的设计，得到液位测距仪，最简单的是测量水位。如图3.2所示，在离水塔底部高H处，安装设计好的超声波液位计。液位计向水面垂直发出超声波，当超声波遇到水面经液面向上反射到液位计，液位计接收到反射回的超声波时，由单片机CFU算出超声波往返一次所用的时间，即可算出液位计到水面的距离L，液位高度可由公式：h=H-Vt/2算出。其中，V为超声波在空气中的传播速度，t为超声波由液位计到水面往返一次的时间。图3.2利用超声波发生器，实现一定频率的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效的返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受到的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。3.4、超声清洗超声波在液体中传播能够形成空化作用，用来清洗物件特别实用。3.4.1超声清洗的原理超声波清洗主要是利用超声波在液体中的空化作用。超声波在液体传播过程中,当其声波压强达到一个大气压时,超声波的功率密度约为0.35W/cm2,这时在液体中传播的超声波的声波压强峰值在液体中会产生一个很大的力,将液体拉裂成空洞(空化核),此空洞为真空或非常接近真空。在信号电压值(或超声波压强)下一个半周达到最大时,由于周围的压力的增大而被压碎,这些无数细小而密集的气泡破裂时产生冲击波的现象被称之为“空化”作用,空化泡崩溃时,在极短的时间和极小的空间内,形成局部热点,可产生高达5000K的高温和108Pa的高压,温度变化率高达109K/s,并伴随有强烈的冲击波和时速达400km的射流[12]。在此作用下,液体分子激烈碰撞产生非常强大的冲击力,将被清洗物体表面的污物撞击下来。空化作用也在固体与液体的交界处产生一种剪切力,也使污垢脱落,因而两种力的作用下,对于浸入超声波作用下的液体中的物体外表面具有超乎寻常的清洗作用。另外,由于超声波具有很强的穿透固体的作用,所以这种“空化”作用对浸入超声波作用下的液体中物体(如管件)内表面也能得到一定程度的清洗,这是超声波清洗优于其它清洗手段的重要方面。3.5超声波在军事中的应用超声波在军事中的应用主要运用超声波方向性好的特性。由于超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射，如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，当超声波遇到鱼群时会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了，这种仪器叫声纳[13]。它也可以用来探测水中的暗礁和敌人的潜艇以及测量海水的深度。在现代高科技中，虽然雷达的应用很广，但在水中依然采用声纳技术，这主要是因为海水有良好的导电性，对电磁波的吸收能力很强，雷达无法探测水下作战目标的方位和距离，超声波在空气中衰减较快，而在固体、液体中的衰减却很小，这正好与电磁波相反，在这种情况下，声纳技术可以发挥巨大的威力。由于海水吸热能力太强，使红外线技术无用武之地；又由于水的透光能力差，吸收光能力很强，故光学设备如望远镜也使用不上。因此，声纳技术在特殊领域中占有不可取代的地位。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。通过搜集资料，查询文档，使我对于超声波的几种典型应用已经有了初步的认识，同时对于超声波的物理特性有了更深的理解，在今后的学习中我们应该努力学习有关超声波的知识，争取为超声理论或者超声技术做出自己的贡献。