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超声波传感器的实验报告

一、超声波传感器的定义：

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。

超声波是振动频率高于20KHz的机械波。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。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。超声波传感器广泛应用

在工业、国防、生物医学等方面。

超声波传感器的原理：

二、超声波传感器按其工作原理，可分为

1、压电式

2、磁致伸缩式

3、电磁式

压电式超声波传感器

压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。常用的敏感元件

材料主要有压电晶体和压电陶瓷。

根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器（发射探头）和接

收器（接收探头）两种，根据结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探

头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专

用探头等。

压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振

动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生

共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆

赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。

压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶

片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转

换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。压电式超声波接收器的

结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种

用途。

典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等

组成。压电晶片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有

银层，作为导电的极板，底面接地，上面接至引出线。为了避免传感器与被测件

直接接触而磨损压电晶片，在压电晶片下粘合一层保护膜。吸收块的作用是降低

压电晶片的机械品质，吸收超声波的能量。

磁致伸缩式超声波传感器

铁磁材料在交变的磁场中沿着磁场方向产生伸缩的现象，称为磁致伸缩效应。磁

致伸缩效应的强弱即材料伸长缩短的程度，因铁磁材料的不同而各异。镍的磁致

伸缩效应最大，如果先加一定的直流磁场，再通以交变电流时，它可以工作在特

性最好的区域。磁致伸缩传感器的材料除镍外，还有铁钻钒合金和含锌、镍的铁

氧体。它们的工作效率范围较窄，仅在几万赫兹以内，但功率可达十万瓦，声强

可达几千瓦每平方毫米，且能耐较高的温度。

磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交

替变化即机械振动，从而产生出超声波。它是用几个厚为0.1-0.4mm的镍片叠

加而成，片间绝缘以减少涡流损失，其结构形状有矩形、窗形等。

磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材

料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感应，磁

致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录

或显示出来。

三、超声波传感器的应用：

1、在医学检测上的应用：B超

用于检测液位的超声波传感器：

●声波漫反射式接近传感器用于检测液位

●声波反射式设计用于检测远处的目标

.

●声波接近传感器可有模拟量输出,可适用于精确的连续控制.

●模拟量输出信号和被测物距离的线性斜率可调,满足各种控制要求.

●声波接近传感器可有两个开关点设置,并可通过按钮方便的设置.

●方形和原柱形设计满足不同的现场安装要求.

2、超声波传感器在质检方面的应用——超声波探伤仪

超声波探伤仪主要应用于金属工件内部的质量检测，如检测金属是否有气泡，

焊接部位是否有未焊透等缺陷等。

3、利用超声波测液位

超声波测液位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，就可以求出液面的高度。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。

超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中

传播;超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中

传播，但超声波在空气中的衰减比较厉害。

4、利用超声波测厚度

用超声波测量金属零件、钢管等材料的厚度，具有测量精度高、测试仪

器轻