傳感器及檢測技術（第四版）課件 24.超聲波傳感器的應用

……………超聲波傳感器的應用傳感器技術與應用武漢職業(yè)技術學院

熊曉倩課程內(nèi)容CONTENTS多普勒效應測流量04具體應用舉例05時間測距法01倒車雷達03測液位02一、時間測距法超聲波測距

由超聲波的發(fā)射端發(fā)射一束超聲波，在發(fā)射的同時，計時開始，發(fā)射出去的超聲波在介質中傳播，聲波具有反射特性，當遇到障礙物時就會反射回來，當超聲波的接收端接收到反射回來的超聲波時，計時停止。一、時間測距法時間測距法

已知超聲波在介質中的傳播速度，測量出從發(fā)射到接收所需的時間，就可以計算出障礙物的距離。測距的公式如式所示L=c*T/2

式中L為測量的距離長度；C為超聲波在介質中的傳播速度；T為測量出傳播時間。

當介質為空氣時，聲速為340m/s，根據(jù)記錄的時間t，利用公式可以計算出發(fā)射位置與障礙物之間的距離。二、測液位測液位

利用超聲波測距原理可以進行液位的測量。如圖，超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位高度。二、測液位測液位

根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器完成。二、測液位測液位對于單換能器，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間設為t，則h=ct/2式中，h為換能器距液面的距離；c為超聲波在傳播的速度。對于雙換能器，液位高度則為式中，s=ct/2；2a為兩個傳感器探頭的直線距離。

三、倒車雷達倒車雷達

采用超聲波測距原理，當車輛掛進倒車擋倒車時，倒車雷達自動進入工作狀態(tài)，在控制器的控制下，由安裝在車尾保險杠上的探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后，經(jīng)控制器進行數(shù)據(jù)處理，從而計算出車體與障礙物之間的距離，判斷出障礙物的位置。三、倒車雷達倒車雷達

隨著對車輛越來越高的要求，車用超聲波傳感器的要求也在不斷提高，主要從三個方面要求：精度、防護等級、可靠性。三、倒車雷達倒車雷達

車用超聲波傳感器的測量誤差需控制在1%以內(nèi)，超聲波傳感器的精度如果不達標，會導致檢測信息不準確，會影響駕駛員判斷，微小的偏差可能會造成大的后果。三、倒車雷達倒車雷達

由于車輛的使用環(huán)境比較復雜，因此需要超聲波傳感器防護等級要高，至少要防水耐高溫。此外，作為在車輛上大規(guī)模使用的傳感器，超聲波傳感器的可靠性會對車輛整體產(chǎn)生極大的影響。四、超聲波流量傳感器超聲波流量計

常用的測量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法基本原理是測量超聲波脈沖順水流和逆水流時速度之差來反映流體的流速，從而測出流量；多普勒法的基本原理則是應用聲波中的多普勒效應測得順水流和逆水流的頻差來反映流體的流速從而得出流量。四、超聲波流量傳感器超聲波流量計

將超聲脈沖能量以一定的角度在管壁內(nèi)的兩個傳感器與流體之間傳遞；流體的流速將在一定程度上影響了超聲脈沖在兩個傳感器之間的傳播時間。

從上游傳感器到下游傳感器，聲速和流體速度混合并變快。從下游傳感器到上游傳感器，聲速抵消了流體速度，變慢。上下游傳播時間的凈時間差與流速數(shù)值成正比。四、超聲波流量傳感器超聲波流量計順流傳播時間：逆流傳播時間：由上述順流時間和逆流時間可推導出正逆程時間差：最終我們可以得到氣體的平均流速為：式中：t1為順流時間；t2為逆流時間；L代表傳播路徑；θ為傳播路徑與水平夾角。四、多普勒效應測流量多普勒效應測流量

多普勒超聲波流量計流速測量基于多普勒效應。

探頭斜向上發(fā)出一束超聲波，超聲波在流體中傳播，流體中會含有氣泡或者顆粒等雜質（可以認為流體中的雜質和水流的速度一致），當超聲波接觸到流體中的雜質時會使反射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移Δf，多普勒頻移Δf正比于流速。四、多普勒效應測流量多普勒效應測流量

通過測量多普勒頻移Δf即可測量出流體的流速。換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；蛘邭馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射回來，

這就是多普勒超聲波流量計的測量原理。

f2與f1之差即為多普勒頻差fd。fd=f2-f1=2vf1sinθ/c

其中流體流速為v，超聲波聲速為c，fd為多普勒頻移，θ為傳播路徑與水平夾角。四、多普勒效應測流量多普勒效應測流量時差法測量超聲波脈沖順流和逆流時傳播的時間差。則流體流速為：式中：C為超聲波傳播速度；φ為聲波傳播方向和流體流速方向的夾角；L為兩個傳感器之間的距離t1、t2分別是順流和逆流方向，超聲波到達接收器的時間。五、具體應用舉例超聲波傳感器

超聲波還可以用來進行無損檢測，它可以檢查金屬材料、部分非金屬材料的表面和里面缺陷，如焊縫中裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔等缺陷。

超聲波在介質中傳播時，在不同質界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超聲波波長時