第第 88 章章超声波传感器超声波传感器

超声波及其物理性质8.1

超声波传感器的原理8.2

超声波传感器应用8.3

8.1 8.1 超声波及其物理性质超声波及其物理性质

频率在 l6Hz ～ 2×104Hz 之间，能为人耳所听到的机械波，称为声波；低于 16Hz 的机械波，称为次声波；高于 2×104Hz的机械波， 称为超声波，频率在 3×108Hz ～ 3×1011Hz 之间的波，称为微波。

图 8-1 声波的频率界限图

8.1.1 超声波的波型及其传播速度

声波的波型不同。通常有以下几种。 ① 纵波：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：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；

③ 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，只在固体的表面传播。

在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的 90% 。气体中纵波声速为 344m/s ，液体中纵波声速在 900 ～ 1900m/s 。

8.1.2 超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。

当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波在第一介质中的波速 c1 与折射波在第二介质中的波速 c2 之比，即

1

2

sin

sin

c

c

当超声波垂直入射界面，即在 ==0 时，则反射系数和透射系数为

2

2 2

1 1

2 2

1 1

1

1

c

cR

c

c

1 1 2 2

21 1 2 2

4 c cT

c c

若 2c2≈1c1 ，则反射系数 R≈0 ，透射系数 T≈1 ，此时声波全部从第一介质透射入第二介质；若 2c2>>1c1 ，反射系数 R≈1 ，则声波在界面上几乎全反射。同理，当 1c1>>2c2 ，反射系数 R≈1 ，声波在界面上几乎全反射。

8.2 8.2 超声波传感器的原理超声波传感器的原理

超声波传感器由发送器和接收器两部分组成，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。

专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器（接收器）既可发送超声波（接收超声波），又可接收超声波（发送超声波）。市售超声波传感器的谐振频率（中心频率）为 23kHz ， 40kHz ， 75kHz ， 200kHz ， 400kHz 等。

超声波传感器利用压电效应的原理，压电效应有逆压电效应和正压电效应，超声波发送器就是利用逆压电效应的原理。超声波接收器利用正压电效应的原理。

8.2.1 超声波传感器的组成 它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面接到一个电极端，下面接到另一个电极端。

双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着，这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，高效应地产生高频电压。

图 8-3 超声波传感器的结构

8.2.2超声波传感器工作原理 若在发送器的双晶振子（谐振频率为40kHz ）上施加 40kHz 的同频电压，压电陶瓷片 a 、 b 就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就发送 40kHz 频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，送给超声波接收器就被其接收。

超声波接收器是利用压电效应的原理，产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压非常小，要用放大器进行放大。

图 8-4 超声波传感器工作原理示意图

8.3 8.3 超声波传感器应用超声波传感器应用 8.3.1 超声波物位传感器

超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从 发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。

根据发射和接收换能器的功能，传感器可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。

对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为

则 2ht

c 2

cth

对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为 2s ，而

2

cts

因此液位高度为

2 2h s a

从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的物位。在一般使用条件下，它的测量误差为±0.1% ，检测物位的范围为 10−2m ～ 104m 。

8.3.2 超声波流量传感器 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 8-6 所示。如设顺流方向的传播时间为 t1 ，逆流方向的传播时间为 t2 ，流体静止时的超声波传播速度为 c ，流体流动速度为 v，则

1L

tc v

2

Lt

c v

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

2 1 2 2

2Lvt t t

c v

由于 c>>v，便可得到流体的流速，即 :

2

2

cv t

L

在实际应用中，超声波传感器安装在管道的外部，从管道的外面透过管壁发射和接收超声波，而不会给管道内流动的流体带来影响，如图 8-7 所示。

图 8-6 超声波测流量原理

图 8-7 超声波传感器安装位置

此时超声波的传输时间由下式确定为

1cos

sin

D

tc v

2

cossin

D

tc v

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，如自来水、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。

8.3.3 超声波自控淋浴开关电路

1 、电路组成 超声波收发电路、锁相电路及控制执行电路等。

核心是锁相电路，它由 LM567 等组成，对输入的外来信号和本身振荡信号的频率进行比较，当输入到 LM567 的 3脚的外来信号的频率和本身振荡信号的频率相同时， 8脚输出电平由高变低，同时，利用锁相电路本身的振荡信号为超声波发送电路提供信号源。电路的振荡频率 f=1/(1.lR8C5)，本电路为 40kHz 。

图 8-8 超声波自控淋浴开关电路

2 、工作原理 超声波发送电路由 VT1 等构成，由锁相电路 LM567 的 6脚输出的振荡信号经 R3 ，加到 VT1基极进行放大，推动超声波发送器 UCM -T40Kl 发出超声波信号。

超声波接收电路由 A1 等构成，平时，超声波接收器 UCM-R40K1 接收不到 UCM-T40K1 发出的超声波信号， LM567 的 8脚输出为高电平， VT2截止，继电器 J处于释放状态，电磁阀关闭，淋浴器无水喷出。

当有人站在淋浴器下时， UCM-T40Kl发出的超声波经人体反射后，被 UCM -R40Kl 接收并转为相应的电压信号，经A1 放大后通过 C2耦合到 LM567 的 3脚，由于该信号的频率与锁相电路本身产生的振荡信号的频率完全相同，故 8脚输出低电平，此时， VT2 处于导通状态，继电器 J 吸合，电磁阀得电打开，淋浴器有水喷出。

本 章 小 结

（ 1）超声波的特点及传播。（ 2）超声波传感器的结构及其工作原理，利用逆压电效应的原理构成超声波传感器的发射器，利用压电效应的原理构成超声波传感器的接收器。

（ 3）超声波传感器的应用 :物位的测量、流量的测量、自动淋浴器的工作原理。

思考题和习题

8-1 超声波在介质中传播具有哪些特性 ?

8-2 超声波物位测量有几种方式 ?各有什么 特点 ?

8-3 简述超声波传感器测量流量的工作原 理，并推导出数学表达式。

8-4 已知超声波传感器垂直安装在被测介 质底部，超声波在被测介质中的传播 速度为 1460m/s ，测得时间间隔为 28s ，试求物位高度。