压电式传感器与超声波传感器

传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类传感器的分类方法很多．主要有如下几种：（1）按被测量分类，可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。

这种分类有利于选择传感器、应用传感器（2）按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式，光电式，光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。

这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器的工作原理进行阐述。

（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、石英传感器、光导纤推传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。

这种分类法可分出很多种类。

（4）按照传感器输出量的性质分为摸拟传感器、数字传感器。

其中数字传感器便干与计算机联用，且坑干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。

传感器数字化是今后的发展趋势。

（5）按应用场合不同分为工业用，农用、军用、医用、科研用、环保用和家电用传感器等。

若按具体便用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。

（6）根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用，位查用、诊断用，控制用和分析用传感器等。

主要特点传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。

微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

主要功能常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、传感器（图1）流体传感器——触觉敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

化学类，基于化学反应的原理。

生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。

压电式超声波传感器简介压电式超声波传感器是一种常用于测量距离、检测目标位置以及检测物体存在的传感器。

它利用压电效应来产生超声波，并通过测量超声波的回波来实现测量和检测的功能。

本文将介绍压电式超声波传感器的工作原理、特点、应用以及一些常见问题。

工作原理压电式超声波传感器的工作原理基于压电效应和超声波的传播。

压电材料在受到外力作用时会发生形变并产生电荷，这被称为压电效应。

超声波是一种高频声波，是由压电材料振动产生的。

当压电材料振动时，它会产生超声波并向外传播。

当超声波遇到目标物体或障碍物时，会发生回波并被传感器接收到。

传感器通过测量回波的时间延迟来计算出目标物体与传感器之间的距离。

特点高精度测量压电式超声波传感器具有高精度的测量能力。

它可以实现毫米级的距离测量，并且具有较高的测量精度。

这使得压电式超声波传感器在需要精确测量距离的应用领域得到广泛应用。

非接触式测量压电式超声波传感器是一种非接触式的测量技术。

它可以在不接触目标物体的情况下进行测量，并且对目标物体没有干扰。

这使得它非常适用于需要远程测量或对目标物体表面不能有实际接触的应用。

宽工作范围压电式超声波传感器具有宽工作范围的特点。

它可以在不同的环境条件下正常工作，包括室内和室外环境。

不受光照、温度和湿度等因素的影响，可以稳定准确地进行测量。

多功能应用压电式超声波传感器可以应用于多个领域。

它可以用于测量距离、检测目标位置、避障、流量测量等。

在工业自动化、机器人、车辆导航等领域都有广泛的应用。

应用距离测量压电式超声波传感器广泛应用于距离测量领域。

它可以测量目标物体与传感器之间的距离，并提供精确的测量结果。

距离测量应用包括机器人导航、自动驾驶、车辆倒车辅助等。

避障检测压电式超声波传感器也可以用于避障检测。

在自动化设备或机器人中，传感器可以用来检测障碍物的存在，从而避免碰撞或损坏。

它在制造业、仓储物流等领域起着重要的作用。

流量测量压电式超声波传感器还可以用于流量测量。

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。

超声波传感器的工作原理1、超声波传感器概述超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。

有的超声波传感器既作发送，也作接收。

小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23～25kHz及40～45kHz。

这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。

另有一种密封式超声波传感器，它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好，如下图所示。

▲超声波探头2、超声波传感器的类型与组成超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器、防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。

超声波传感器由发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）、控制部分与电源部分组成。

发送传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测，如下图所示。

▲超声波发射接收器a）超声波发送器b）超声波接收器而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收传感器的陶瓷振子。

控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

若对发送传感器内谐振频率为40kHz的压电陶瓷片（双晶振子）施加40kHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40kHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏密程度可由控制电路调制），并传给波接收器。

接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40kHz正弦电压。

传感器与测试技术第1章绪论1.传感器由敏感元件、转换元件和转换电路（信号调理电路）组成。

2.传感器的静态特性有非线性度、灵敏度、迟滞（回程误差）和重复性等。

第二章信号分析与处理1.按信号能量是否有限，可分为能量信号和功率信号。

2.能量信号的平均功率为零。

3.功率信号的平均功率有限。

4.周期信号中，比较傅里叶级数的两种展开式可知：（1）复指数函数形式的频谱为双边谱，三角函数形式的频谱为单边谱；（2）|Cn|=An/2 ；（3）双边幅频谱为偶函数，双边相频谱为奇函数。

5.非周期信号中，可知：（1）非周期信号的幅频谱|X（f）|是连续谱，周期信号的幅频谱|Cn| 是离散谱；（2）二者量纲不同，前者是频谱密度函数，后者是信号幅值。

6.关于奇偶虚实性的三个结论：（1）傅里叶变换不改变奇偶性；（2）偶函数变换不改变虚实性；（3）奇函数变换改变虚实性。

7.香农定理：为了避免频率混叠，以便采样后仍能准确地恢复原信号，要求fs>2 fm。

其中fs为采样频率，fm为最高频率。

第三章测量误差与数据处理1.引用误差一一表征仪器仪表测量精度。

2.误差的分类：系统误差、随机误差和粗大误差。

3.算术平均值是反映随机误差的分布中心，而标准差则反映随机误差的分布范围。

4.测量结果的最可信赖值应在残差平方和为最小的条件下求出，这就是最小二乘法原理。

5.P58页的表3-1.（1）k=1时，置信概率为0.6826.（2）k=2时，置信概率为0.9544.（3）k=3时，置信概率为0.9973.第四章测试系统的特性分析1.测试系统的静态特性（1）非线性度：标定曲线偏离其拟合直线的程度。

其中最常用的方法是最小二乘直线。

（2）灵敏度：测试系统在静态测量时被测量的单位变化量引起的输出变化量。

线性测试系统的灵敏度S为常数，静态特性曲线的斜率越大，其灵敏度越高。

装置的灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，即装置的稳定性越差。

（3）迟滞（回程误差或滞后）：反映在测试过程中输入量在正行程与反行程的标定曲线不重合(4)重复性：同一个测点，测试系统按同一方向作全量程的多次重复测量时，每一次的输出量都不一样，是随机的。

超声波传感器主要有哪⼏种类型10.12超声波传感器主要有哪⼏种类型？试述其⼯作原理。

（1）压电式超声波传感器 （2）磁
致伸缩式超声波传感器：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发⽣改变。

根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈便获得感应电动势。

10.13在⽤脉冲回波法测量厚度时，利⽤何种⽅法测量时间间隔Δt有利于⾃动测量？若已知超声波在被测试件中的传播速度为5480m/s，测得时间间隔为25µs，试求被测试件的厚度。

 
d=vΔt=5480×25×10−6=0.0685m 10.14超声波测物位有哪⼏种测量⽅式？各有什么特点？（1）单换能器在液体中（2）双换能器在液体中（3）单换能器在空中（4）双换能器在空中 当换能器位于液体中时，衰减⽐较⼩ 当换能器位于空⽓中时，便于安装和维护，当衰减⽐⽐较⼤。

 10.15试述时差法测流量的基本原理，存在的问题及改进⽅法。

农业传感器 通过测量超声波在顺流和逆流中传播的时间差求得流体流速的⼀种⽅法。

 c2v≈Δt，测量精度主要取决于时间差的测量精度。

同时，超声波声速⼀般随介质2Lcosθ 的温度变化⽽变化，因此将造成温漂。

 10.16超声波⽤于探伤有哪⼏种⽅法？试述反射法探伤的基本原理。

 穿透法探伤和反射法探伤。