《传感器及应用》超声波传感器（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》超声波传感器-讲义 知识点一 基本工作原理 超声波：频率超过20 kHz 的机械振动波。由于频率高，其能量远远大于振幅相同的声波， 具有很高的穿透能力，在钢材中甚至可穿透10m 以上。 超声波在介质中传播时，也像光波一样产生反射、折射现象。经过反射、折射的超声波其能量或波形均将发生变化。利用这一性质可以实现液位、流量、温度、粘度、厚度、距离等参数的测量。 超声波换能器：发射和接受超声波的器件，也称为超声波探头。根据工作原理不同有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主要采用压电式。换能器由结构不同又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等。 超声波陶瓷探头：利用一个超声发射器发生超声波，并用机械-电换能器转换为电信号，主要部分包括机械-电换能的压电双晶振子、提高机械-音响转换效率的金属谐振器和外壳。 压电双晶振子是将两块压电瓷板相贴构成双晶片，其中心部分装有连接器，连接金属制的圆锥形谐振器，构成复合谐振器。壳体除保护复合谐振器外，同时使其中的驻波谐振与复合谐振器的谐振频率一致，起到提高转换效率的作用。 超声波陶瓷探头的特点是灵敏度高且寿命长、易接入电路、耐冲击、耐湿、结构牢固、小型轻量易于安装。 超声波传感器是利用（ ）来实现测量等功能的 A. 次声波 B. 超声波 C. 电磁波 D. 光波 【答案】B 【解析】超声波传感器就是利用超声波的特性来工作的，比如利用超声波的反射、折射等特性进行距离测量等。 1. 超声波在介质中传播时，其传播速度与下列哪个因素无关（ ） A. 介质的密度 B. 介质的弹性模量 C. 超声波的频率 D. 介质的温度 【答案】C 【解析】超声波在介质中的传播速度主要取决于介质的密度、弹性模量和温度等，与超声波本身的频率无关，频率影响的是波长等其他特性。 2. 超声波传感器一般由（ ）组成 A. 发射换能器和接收换能器 B. 控制器和显示器 C. 电源和信号线 D. 天线和放大器 【答案】A 【解析】超声波传感器通常由发射换能器将电信号转换为超声波信号发射出去，以及接收换能器将接收到的超声波信号转换为电信号。 3. 超声波发射换能器的作用是（ ） A. 将超声波信号转换为电信号 B. 将电信号转换为超声波信号 C. 放大超声波信号 D. 过滤超声波信号 【答案】B 【解析】 发射换能器的主要作用就是把电信号转换为超声波信号向外界发射，以便进行探测等工作。 1. 超声波接收换能器利用的主要效应是（ ） A. 压电效应 B. 光电效应 C. 热电效应 D. 霍尔效应 【答案】A 【解析】大多数超声波接收换能器是利用压电效应，即当超声波作用在压电材料上时，会产生电荷，从而将超声波信号转换为电信号。 2. 当超声波从一种介质入射到另一种介质时，会发生（ ）现象 A. 只有反射 B. 只有折射 C. 反射和折射 D. 散射 【答案】C 【解析】根据声学原理，当超声波从一种介质入射到另一种介质时，通常会同时发生反射和折射现象，一部分超声波会反射回原介质，另一部分会进入另一种介质并改变传播方向。 3. 超声波传感器测量距离是基于（ ）原理 A. 光的反射 B. 超声波的反射 C. 电磁感应 D. 热传递 【答案】B 【解析】超声波传感器测量距离一般是通过发射超声波，然后接收被物体反射回来的超声波，根据发射和接收之间的时间差以及超声波在空气中的传播速度来计算出距离。 · 传感器内部利用压电陶瓷或磁致伸缩材料产生高频声波。 · 声波在空气中传播，遇到物体时反射回传感器。 · 传感器接收反射声波，转化为电信号。 · 通过计算声波传播时间差，确定物体距离 知识点二 超声波传感器在超声波探伤方面的应用 1、 纵波探伤法: 测试前，先将探头插入探伤仪的连接插座上。探伤仪面板（如图1- a）上有一个荧光屏，通过荧光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷的位置。 工作时探头放于被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。探头发出的超声波以一定速度向工件内部传播。 如工件中没有缺陷，则超声波传到工件底部便产生反射，在荧光屏上只出现始脉冲T和底脉冲B，如图1-b所示。如工件中有缺陷，一部分声脉冲在缺陷处产生反射，另一部分继续传播到工件底面产生反射，在荧光屏上除出现始脉冲T和底脉冲B外，还出现缺陷脉冲F，如图1-c所示。 荧光屏上的水平亮线为扫描线（时间基线），其长度与工件的厚度成正比（可调整），通过缺陷脉冲在荧光屏上的位置可确定缺陷在工件中的位置；亦可通过缺陷脉冲幅度的高低来判别缺陷当量的大小，如缺陷面积大，则缺陷脉冲的幅度就高。通过移动探头还可确定缺陷的大致长度。 图1 超声波探伤 2、 横波探伤法： 用斜探头进行探伤的方法。 超声波的一个显著的特点是： 超声波波束中心线与缺陷截面积垂直时，探测灵敏度最高，但如遇图2所示的斜向缺陷时，用直探头探测虽然可探测出缺陷存在，但并不能真实反映缺陷大小，如用斜探头探测，则探伤效果较佳。 实际应用中，应根据不同缺陷性质、取向，采用不同的探头进行探伤。有些工件的缺陷性质、取向事先不能确定，为了保证探伤质量，则应采用几种不同探头进行多次探测。 图2 横波单探头法探伤 3、 表面波探伤法： 表面波探伤主要是检测工件表面附近的缺陷存在与否，如图3所示。 当超声波的入射角超过一定值后，折射角可能达到90°，这时固体表面受到由超声波能量引起交替变化的表面张力作用，质点在介质表面的平衡位置附近作椭圆轨迹振动，这种振动称为表面波。 当工件表面存在缺陷时，表面波被反射回探头，可以在荧光屏上显示出来。 图3 表面波探伤法 超声波探伤中，超声波传感器主要利用了超声波的（ ）特性 A. 衍射 B. 散射 C. 反射和折射 D. 干涉 【答案】C 【解析】在超声波探伤中，主要是利用超声波在不同介质界面处的反射和折射特性，当超声波遇到缺陷时，会在缺陷界面产生反射等现象，通过分析反射波来检测缺陷。 1. 超声波探伤使用的超声波频率通常在（ ）范围内 A. 20Hz - 20kHz B. 20kHz - 100kHz C. 0.5MHz - 10MHz D. 10MHz - 100MHz 【答案】C 【解析】超声波探伤一般使用的频率在0.5MHz - 10MHz，这个频率范围的超声波具有较好的穿透能力和分辨能力，适合检测材料内部的缺陷。 2. 超声波传感器在探伤时，发射的超声波波束角度（ ），探伤分辨率越高 A. 越大 B. 越小 C. 不变 D. 与分辨率无关 【答案】B 【解析】超声波波束角度越小，能量越集中，对缺陷的定位和分辨能力就越强，探伤分辨率也就越高。 3. 在超声波探伤中，为了使超声波更好地传入被检测材料，通常需要在传感器与材料表面之间涂抹（ ） A. 耦合剂 B. 润滑油 C. 水 D. 胶水 【答案】A 【解析】耦合剂的作用是排除传感器与被检测材料表面之间的空气，使超声波能够更有效地传入材料中，提高检测的准确性。 1. 当超声波传感器检测到材料内部有缺陷时，显示屏上会出现（ ） A. 连续的正弦波 B. 杂乱无章的波形 C. 正常波形中有异常反射波 D. 直线 【答案】C 【解析】正常情况下，超声波在均匀材料中传播会有一个相对稳定的波形，当有缺陷时，会产生异常的反射波，在显示屏上表现为正常波形中出现异常反射波。 2. 超声波探伤中，利用（ ）可以判断缺陷的深度 A. 反射波的幅度 B. 反射波的传播时间 C. 反射波的频率 D. 反射波的相位 【答案】B 【解析】根据超声波在材料中的传播速度以及反射波返回的时间，可以计算出缺陷距离检测表面的深度。 3. 以下哪种缺陷类型最难被超声波传感器检测到（ ） A. 表面裂纹 B. 内部气孔 C. 与超声波传播方向平行的片状缺陷 D. 内部夹杂 【答案】C 【解析】与超声波传播方向平行的片状缺陷，超声波可能不容易在缺陷界面产生明显的反射，导致难以被检测到。 · 传感器发射超声波穿透被测物体。 · 遇到缺陷时，超声波反射回传感器。 · 传感器接收回波并转为电信号。 知识点三 超声波传感器在检测障碍物方面的应用 利用超声波检测汽车后面有无障碍物，并向驾驶员报警的系统已实用化。 把约40kHz的超声波脉冲从汽车后面发射出去，根据超声波碰到障碍物后的返回时间换算成距离，便可检测障碍物的位置，通过指示灯或蜂鸣器告知驾驶员。 系统所用的超声波发送和接收元件与超声波陶瓷探头相同，判断障碍物距离的基本电路原理框图如图4。 图4 判断障碍物距离的基本电路原理框图 超声波传感器检测障碍物主要利用了（ ）原理 A. 光反射 B. 超声波反射 C. 热感应 D. 电磁感应 【答案】B 【解析】超声波传感器向周围空间发射超声波，当遇到障碍物时，超声波会被反射回来，传感器通过接收反射波来检测障碍物，所以是利用了超声波反射原理。 1. 一般来说，超声波传感器检测障碍物的有效距离范围是（ ） A. 1cm - 10cm B. 10cm - 5m C. 5m - 10m D. 10m以上 【答案】B 【解析】常见的超声波传感器检测障碍物的有效距离通常在10cm - 5m左右，当然不同型号会有所差异，但总体在这个范围内较为常见。 2.超声波传感器发射的超声波频率越高，对障碍物的检测（ ） A. 精度越高 B. 精度越低 C. 距离越远 D. 没有影响 【答案】A 【解析】超声波频率越高，波长越短，在检测障碍物时，对障碍物的细节和位置能更精确地分辨，检测精度越高，但一般来说频率过高会使传播距离受限。 3. 在有多个障碍物的环境中，超声波传感器（ ） A. 只能检测到最近的障碍物 B. 只能检测到最远的障碍物 C. 可以检测到所有障碍物，但无法区分 D. 可以通过算法区分并检测多个障碍物 【答案】D 【解析】通过合适的算法，如对反射波的时间、强度等信息进行分析处理，超声波传感器可以区分并检测多个障碍物 1. 超声波传感器检测障碍物时，受以下哪种因素影响最小（ ） A. 环境温度 B. 环境湿度 C. 障碍物颜色 D. 障碍物材质 【答案】C 【解析】超声波传感器是通过超声波反射来检测障碍物，障碍物颜色一般不会影响超声波的反射，而环境温度会影响声速，环境湿度在一定程度上也可能有影响，障碍物材质会影响超声波的反射特性。 2. 为了提高超声波传感器对障碍物检测的准确性，通常会（ ） A. 增加传感器数量 B. 降低发射功率 C. 减少采样次数 D. 提高检测频率 【答案】A 【解析】增加传感器数量可以从多个角度检测障碍物，获取更多信息，从而提高检测的准确性；降低发射功率可能导致检测距离缩短和信号不清晰，减少采样次数会减少数据量不利于准确检测，提高检测频率不一定能直接提高准确性，还可能带来其他问题。 3. 超声波传感器在检测透明障碍物时（ ） A. 无法检测 B. 检测效果与不透明障碍物一样 C. 可以检测，但精度可能受影响 D. 只能检测到障碍物轮廓 【答案】C 【解析】超声波传感器检测障碍物是基于超声波反射，透明障碍物也会反射超声波，只是可能由于透明材质的特性，反射情况与不透明障碍物有所不同，导致检测精度可能受影响。 · 发射超声波并测量其遇到障碍物后的回声时间，以计算距离。. · 不受光照、色彩影响，能检测透明、反光物体。 · 在倒车、泊车、盲区检测等领域有广泛应用。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$