如图是自激型晶体管振荡电路，其中MA40A3S是振荡频 率为40kHz的超声波传感器。
（a）基本型 自激型晶体管振荡电路
如图是科耳皮兹振荡电路。 超声波传感器在电感性的 频率下产生振荡。该振荡 频率与串联谐振频率不一 致，造成这种现象的原因 是由于反谐振频率对它的 影响，具体地讲就是C1、 C2的调整会影响fr。
次声波
声波
超声波
微波
音乐 语言
探测
10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7
声波频率界限图
f (H z)
声波的分类 1.次声波
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。
2.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。
超声波传感器
张凯
学习内容
一、超声波的概述 二、超声波传感器的工作原理 三、超声波传感器的测量电路 四、超声波传感器的应用
一、超声波的概述
1、超声波及其基本特性
次• 声波波（：动低）于：16振H动z的在机弹械性波介；质内的传播称为波动。 声波：其频率频在率16：~2次×声10波4 、Hz声之波间、，超能声为波人、耳微所波闻的机械波； 超声波：高于2×104 Hz的机械波； 微波：频率在3×108~3×1011 Hz之间的波；
（b）振荡可控型 自激型晶体管振荡电 路
如图是一个具有振荡
控制端的自激型晶体
管振荡电路。由于它 将图 (a)的地接到了 晶体管VT2的集电极 上，因此当VT2截止 时振荡就会停止。
图是自激型运算放大器振荡放大电路，元件清单如表 所示。
名称 运算放大器
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，超声波传感器是 可逆元件，超声波发送器就是利用逆压电效应 的原理。所谓逆压电效应就是在压电元件上施 加电压，元件就变形，即应变；正压电效应就 是压电元件沿一定方向受力后，发生变形，在 两表面产生符号相反的电荷。
如图所示是超声波传感器结构示例。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，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。
分类
• 结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头 • 工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式
三、超声波传感器的基本电路
3.1 超声波传感器的驱动电路 发射用的超声波传感器的驱动方式有自激型与他
激型。 1. 自激型驱动电路
自激型振荡电路就像石英振子那样，利用超声波 传感器自身的谐振特性使其在谐振频率附近产生振 荡。
如图所示是采用双晶振子的超声波传感器的工作原 理示意图。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，即在压 电元件的指定方向上施加压力，元件就发生 应变，则产生一面为正极，另一面为负极的 电压。如图所示接收器中也有与上图所示结 构相同的双晶振子，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。
在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板 (振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极 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。
c横＝
E 1＝
2(1 )
G
c表面 0.9
G
0.9c横
E — 杨氏模量；
— 泊松比；
G —剪切弹性模量。
3、超声波的反射和折射
（1）反射定律
当波速一致时
＝ '
（2）折射定律
sin c1 sin c2
入射波
介质1 介质2
反射波 ′
界面
折射波
c1—入射声波速； c2—折射声波速
4、声波的衰减
就是超声波传感器，也称为超声波换能器or超声 波探头。 应用范围：超声波传播时间传感器、目标探测、流 量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。 特点：精度高，被测物体不受影响。
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。市售的超声波传感器有专用型和兼用型，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。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变 高。
超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能 量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为
P P0 e x
I
I e 2x 0
P0、I0— 声波在x=0处的声压和声强； P、I — 声波在x处的声压和声强；
— 衰减系数。
• 应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆 的浓度等。
二、超声波传感器的原理
定义： 能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置3.超声波来自蝙蝠 能发出和 听见超声 波。
超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中
的特点。
超声波加湿器
超声波雾化器
2、超声波的波型及其转换和波速
• 纵波：质点的振动方向
与波的传播方向一致。 （固、液、气）
• 横波：质点的振动方向
垂直于波的传播方向。 （固）
• 表面波：质点的振动
介于纵波和横波之间， 沿着表面传播，振幅随 深度增加而迅速衰减。 （固体表面）
L
介质1 介质2
1
S1 2
L1
界面
L2
S2
L—入射纵波； L1 —反射纵波； L2 —折射纵波 S1 —反射横波； S2—折射横波。
纵 波
横波
表面波
超声波的传播速度
取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。
声速＝ 弹性率 密度
在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为
c纵＝
E 1 (1 )(1－2)