超声波传感器测距原理原理
发布时间：
2019-08-13
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。
以超声波传感器测距为例，讲解超声波传感器的测距原理。
超声波传感器按物理效应的不同可分为电动式、电磁式、磁致式、压电式等。目前压电式传感器的理论研究和应用最为普遍，本文选用压电式超声波传感器进行测距。超声波传感器测距的优点可归纳为以下3点：
①纵向分辨率较高，可识别透明、半透明及漫反射差的物体。
②特别适合黑暗、潮湿等一些恶劣条件下的非接触测量。
③基于超声波传感器的感测系统易于实现小型化和集成化。
超声波传感器无需特别安装和防护，结构简单、维护方便、价格低廉。目前，脉冲回波法是一种广泛应用的超声波测距方法。其工作原理为：发射端发出的超声波脉冲以速度v在空气中传播，当到达被测物体表面时，经被测物体表面反射回接收端，记录下超声波在介质中所经历的往返时间，利用速度与时间的函数关系确定距离，计算液位高度。整个测距系统包括超声波发射、超声波接收和液位高度计算，超声波液位测量原理如下图所示。
假设超声波传感器安装于明渠上，高度为H处，与液面的垂直距离为L，则传感器到液面的距离L为下式（1-1）：
式中，v为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s；t为超声波在空气中传播的时间，单位为s。
由于超声波在空气中的传播速度v受环境温度的影响较大，考虑环境温度对传播速度的影响，将式（1-1）修正为式（1-2）：
则液位高度h的计算公式可表示为式（1-3）：
这就建立了h与t之间的数学模型。显然h与t的关系式表明液位高度h是以时间t为自变量的单调函数。
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