超聲波傳感器剖析課件

1、超聲波的波型及其傳播速度縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向一致。（固、液、氣）橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向垂直于波的傳播方向。（固） 表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減。（固體表面） 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。 縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向一致。（固、液、氣）橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動方向垂直于波的傳播方向。（固） 表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減。（固體表面）超聲波的傳播速度 取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度，與自身頻率無關(guān)。 在固

2、體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為E 楊氏模量； 泊松比；G 剪切彈性模量。 在氣體和液體中，由于不存在剪切應(yīng)力僅有縱波的傳播，其傳播速度c為 介質(zhì)的密度；Bn絕對壓縮系數(shù)?？v波橫波表面波 超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。以水為例，當(dāng)蒸餾水溫度在074時，聲速隨溫度的升高而增加，在74時達(dá)到最大值，大于74后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強(qiáng)等也會引起聲速的變化。在固體中，縱波、橫波及表面波三者的聲速間有一定的關(guān)系：通常可認(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速為9001900m/s。地震發(fā)生后，能量通過波

3、的形式傳遞，主要體現(xiàn)在縱波（P波）和橫波（S波）上。P波的傳遞速度快，達(dá)到每秒6公里左右，可通過固體、液體和空氣介質(zhì)傳遞，而橫波的傳遞速度慢一些，大約在每秒3.5公里，主要通過固體介質(zhì)傳遞，兩者屬于體波的范疇。與體波相對應(yīng)的是表面波，面波沿著地表傳播，因此從破壞力上看，表面波的威脅最大，其次是橫波和縱波。表10-1 0100范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化 表10-1 0100范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化 超聲波的反射和折射當(dāng)波速一致時入射波界面介質(zhì)1介質(zhì)2反射波折射波（2）折射定律c1入射聲波速, c2折射聲波速（1）反射定律I0, Ir, It分別為入射波、反射波、透射波的聲強(qiáng)；1c1、2c2

4、分別為兩介質(zhì)的聲阻抗。 聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得: 當(dāng)超聲波垂直入射界面，即=0時，則 若2c21c1，R0，T1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)；若2c21c1, R1，則聲波幾乎全反射，透射極少。當(dāng)1c12c2，R1，聲波幾乎全反射。在20水溫時，故超聲波從水介質(zhì)中傳播至水氣界面時，將發(fā)生全反射。 L1界面介質(zhì)1介質(zhì)22L1L2S1S2 L入射縱波； L1 反射縱波； L2 折射縱波 S1 反射橫波； S2折射橫波。(3) 波型轉(zhuǎn)換當(dāng)聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時,除有縱波的反射、折射以外，還會發(fā)生橫波的反射和折射 如果第二介質(zhì)為液體

5、或氣體，則僅有縱波，而不會產(chǎn)生橫波和表面波。（1）縱波全反射：折射波中便只有橫波存在 （2）橫波全反射：介質(zhì)的分界面上只傳播表面波。 超聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為 式中：Px、Ix距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)； x聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。 聲波衰減原因：擴(kuò)散衰減：隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時，固體介質(zhì)中顆粒界面或流體介質(zhì)中懸浮 粒子使聲波產(chǎn)生散射，一部分聲能不再沿原來傳播方向運(yùn)動，而 形成散射。吸收衰減：由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩

6、擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo) 致聲能的損耗。 7.2 超聲波傳感器 能夠完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波功能的裝置就是超聲波傳感器，也稱為超聲波換能器或超聲波探測器。應(yīng)用： 超聲波傳播時間傳感器、目標(biāo)探測、流量測量、 液位測量、超聲清洗、超聲醫(yī)療等。特點(diǎn)： 精度高，被測物體不受影響，使用壽命長結(jié)構(gòu)： 直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁式 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭； 而正壓電效應(yīng)是將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為

7、接收探頭。 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、引線等組成。 壓電晶片多為圓板形， 厚度為。超聲波頻率f與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板。 阻尼塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)， 吸收聲能量。 如果沒有阻尼塊，當(dāng)激勵的電脈沖信號停止時， 晶片將會繼續(xù)振蕩， 加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。 壓電式磁致伸縮式磁致伸縮式超聲波傳感器: 利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)原理來工作的磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化即機(jī)械振動，從而產(chǎn)生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材

8、料伸縮，從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場（即導(dǎo)磁特性）發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應(yīng)電動勢。此電勢送到測量電路，最后記錄或顯示出來。 超聲波振蕩電路數(shù)字式超聲波振蕩電路 振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓通過耦合電容CP供給超聲波振子MA40S2S。CC4049的H1和H2產(chǎn)生與超聲波頻率相對應(yīng)的高頻電壓信號， H3H6進(jìn)行功率放大，再經(jīng)過耦合電容CP傳給超聲波振子MA40S2S。超聲波振子若長時間加直流電壓，會使傳感器特性明顯變差， 因此，一般用交流電壓通過耦合電容CP 供給傳感器。該電路通過調(diào)節(jié)R可改變振蕩頻率： 采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路 采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實例。電路

9、中用NPN晶體管V放大頻率可調(diào)振蕩器OSC的輸出信號，放大的信號經(jīng)脈沖變壓器T升壓為較高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S。 超聲波傳感器MA40S2S產(chǎn)生40 kHz能量的超聲波。 7.3 超聲波傳感器應(yīng)用 超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進(jìn)行測量。 根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器：傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器雙換能器：傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔(dān)任 幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)原理示

10、意圖 (a) 超聲波在液體中傳播； (b) 超聲波在空氣中傳播液位測量儲油罐分選超聲波液位計 MDARS-E型室外保安機(jī)器人多個超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器為計數(shù)或安全目的，進(jìn)行人員探測堆置高度控制厚度測量脈沖回波法檢測厚度工作原理超聲波測厚 圖是超聲波測厚示意圖。雙晶直探頭左邊的壓電晶片發(fā)射超聲脈沖，經(jīng)探頭內(nèi)部的延遲塊延時后,該脈沖進(jìn)入被測試件,在到達(dá)試件底面時,被反射回來，并被右邊的壓電晶片所接收。這樣，只要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間(扣除經(jīng)兩次延遲的時間),再乘上被測體的聲速常數(shù),就是超聲脈沖在被測件中所經(jīng)歷的來回距離，也就代表了厚度值，即： 高度的分選和移

11、動倒車?yán)走_(dá) 魚群探測器 超聲波流量傳感器理論基礎(chǔ)：超聲波在流體中的傳播速度與流體的流動速度有關(guān)。特點(diǎn)：超聲非接觸測量；無壓力損失；適合于大型管道等。工作原理：傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。 超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積， 便可知道流體的流量。順流逆流由于cv, c 超聲在流體中的速度v 流體的平均流速此時超聲波的傳輸時間將由下式確定： 傳感器1傳感器2vD Lc 超聲在流體中的速度v 流體的平均流速 在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2）。其中（F1，T1）的超聲波是順流傳播的，而（F2，T2）的超聲波是逆流傳播的。根據(jù)這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，采用測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差t、相位差或頻率差f等方法，可測量出流體的平均速度及流量。 超聲波流量傳感器工作原理超聲波探傷傳感器穿透法探傷： 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。 反射法探傷： 反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。（1）穿透法探傷 優(yōu)點(diǎn)：指示簡單