超聲波測距實驗
一、 實驗目的
1、 了解超聲波的產生及其在介質中的傳播特性
2、 了解超聲波傳感器基本結構及其工作原理
3、 了解超聲波傳感器測距系統的組成及測量電路的基本原理
二、 基本原理
1、 超聲波傳感器工作原理：本實驗采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發射器（或稱
發射探頭）和超聲波接收器（或稱接探頭）兩部分組成，結構如圖6.1 所示。探頭都是利用
壓電材料（如石英、壓電陶瓷等）的壓電效應進行工作的。利用逆壓電效應將高頻電振動轉
換成高頻機械振動，產生超聲波，以此作為超聲波的發射器。而利用正壓電效應將接收的超
聲振動波轉換成電信號，以此作為超聲波的接收器。

圖6.1 超聲波傳感器結構示意圖
2、 超聲波傳感器測距原理：如圖6.2 所示：超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻
的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到
反射的波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間ts，
就可以計算出發射點距障礙物的距離S，即：S=340ts/2=170 ts。
3、 本實驗中應用的R/T40 系列傳感器工作過程：從兩個引腳輸入40KHz 的脈沖信號，通過其
內部的陶瓷片激勵器和諧振片轉換成機械振動量，經錐形輻射口被工件反射回來，接收端收
到40KHz 的反射信號，使諧振片產生諧振，通過內部轉換成一電信號，用于反應被測量的大
小或控制各種電氣設備。
4、 R/T40 系列傳感器所用測量電路如圖6.2 所示：定時器每隔固定時間間隔T (T t ) 0 0 s >> 發出
一個脈沖，控制R/T40 傳感器發射超聲波，超聲波接收器將接收到的脈沖進行放大、整形、然后經觸發器得到一定寬度的脈沖信號，再利用計數器即可記錄下脈沖個數Ns，來反映發射
信號與接收信號之間的時間差ts。
三、需用器件與單元
超聲波傳感器實驗模板、超聲波發射/接收器件、反射擋板、數顯表、±15V 電源。
四、實驗方法、內容與步驟
（一） 實驗設備的安裝與調試
1、 將主控箱上的±15V 電源接入超聲波實驗模塊。
2、 將超聲波實驗模板與三源板側邊靠緊放置，且模板一面與三源板側邊基準零點對齊。
3、 將被測工件反射擋板與三源板側邊垂直放置，且設工件起始測量位置在30mm處。
（二） 實驗數據的讀取
1、 以三源板側邊為基準，平行移動反射擋板，依次遞增2cm，讀出數顯表上的脈沖數Ns，填寫
表6.1。
表6.1 超聲波傳感器顯示值Ns 與距離X 之間的關系表

根據表6.1 數據：
① 畫出Ns—X 曲線；
② 確定測量的線性范圍；
③ 以端點連線法確定靈敏度S 及線性度δ的大小。
五、思考題
1、 調節反射擋板的角度分別為10°、50°，重復一下上述實驗（只測量一組數據即可），體會
超聲波傳感器是否可用于角度測量？
2、 超聲波傳感器的線性測量范圍為多少？若實際距離過小或過大，則測量誤差增大還是減小?