傳感器原理及工程應用(第三版)郁有文1-5第10章課件

第10章超聲波傳感器10.1超聲波及其物理性質10.2超聲波傳感器10.3超聲波傳感器應用第10章超聲波傳感器10.1超聲波及其物理性質110.1超聲波及其物理性質10.1超聲波及其物理性質振動在彈性介質內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于16Hz的機械波，稱為次聲波；高于2×104Hz的機械波，稱為超聲波,如圖10-1所示。頻率在3×108~3×1011Hz之間的波，稱為微波。10.1超聲波及其物理性質10.1超聲波及其物理性質2圖10-1聲波的頻率界限圖當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中傳播速度不同，在介質界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉換等現(xiàn)象。圖10-1聲波的頻率界限圖當超聲波由一種310.1.1超聲波的波型及其傳播速度聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：①縱波：質點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質中傳播；②橫波：質點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質中傳播；③表面波：質點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?0.1.1超聲波的波型及其傳播速度4超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質的密度；

Ba——絕對壓縮系數(shù)。上述的ρ、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質中的傳播速度隨溫度的變化而變化，表10-1為蒸餾水在0～100℃時聲速隨溫度變化的數(shù)值。（10-1）超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。超5表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化6表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化7從表10-1可見，蒸餾水溫度在0～100℃范圍內(nèi)，聲速隨溫度的變化而變化，在74℃時達到最大值，大于74℃后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質、壓強也會引起聲速的變化。在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系，通常可認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，液體中縱波聲速在900～1900m/s。從表10-1可見，蒸餾水溫度在0～100℃范810.1.2超聲波的反射和折射聲波從一種介質傳播到另一種介質，在兩個介質的分界面上一部分聲波被反射,另一部分透射過界面，在另一種介質內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射，如圖10-2所示。10.1.2超聲波的反射和折射9圖10-2超聲波的反射和折射圖10-2超聲波的反射和折射10由物理學知，當波在界面上產(chǎn)生反射時，入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當波在界面處產(chǎn)生折射時，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質中的波速c1與折射波在第二介質中的波速c2之比，即（10-2）聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得:(10-3)由物理學知，當波在界面上產(chǎn)生反射時，入射角α11(10-4)式中：I0,Ir,It——分別為入射波、反射波、透射波的聲強；

α、β——分別為聲波的入射角和折射角；

ρ1c1、ρ2c2——分別為兩介質的聲阻抗，其中c1和c2分別為反射波和折射波的速度。(10-4)式中：I0,Ir,It——分別為入射波、反12當超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則(10-6)(10-5)當超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則(10-6)(113由式（10-5）和式（10-6）可知，若ρ2c2≈ρ1c1，則反射系數(shù)R≈0，透射系數(shù)T≈1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質透射入第二介質；若ρ2c2>>ρ1c1,反射系數(shù)R≈1，則聲波在界面上幾乎全反射，透射極少。同理，當ρ1c1>>ρ2c2時，反射系數(shù)R≈1，聲波在界面上幾乎全反射。如：在20℃水溫時，水的特性阻抗為ρ1c1=1.48×106kg/(m2·s),空氣的特性阻抗為ρ2c2=0.000429×106kg/(m2·s),ρ1c1>>ρ2c2,故超聲波從水介質中傳播至水氣界面時，將發(fā)生全反射。由式（10-5）和式（10-6）可知，若ρ2c1410.1.3超聲波的衰減聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為（10-7）（10-8）式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。10.1.3超聲波的衰減（10-7）（10-8）式15聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是指超聲波在介質中傳播時，固體介質中的顆粒界面或流體介質中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質的性質和散射粒子的性質有關。吸收衰減是由于介質粘滯性，使超聲波在介質中傳播時造成質點間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉換為熱能，通過熱傳導進行熱交換，導致聲能的損耗。聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴1610.2超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應是將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。10.2超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中17超聲波探頭結構如圖10-3所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，當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。超聲波探頭結構如圖10-3所示，它主要由壓電18圖10-3壓電式超聲波傳感器結構圖10-3壓電式超聲波傳感器結構1910.3超聲波傳感器應用10.3.1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和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。10.3超聲波傳感器應用10.3.1超聲波物位傳感器20圖10-4給出了幾種超聲物位傳感器的結構示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設置在液體介質中，讓超聲波在液體介質中傳播，如圖10-4（a）所示。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖10-4（b）所示。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。圖10-4給出了幾種超聲物位傳感器的結構示意21圖10-4幾種超聲物位傳感器的結構原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播；(b)超聲波在空氣中傳播圖10-4幾種超聲物位傳感器的結構原理示意圖22對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為則（10-9）（10-10）式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質中傳播的速度。對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，23對于如圖10-4所示雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2s，而（10-11）因此液位高度為（10-12）式中：s——超聲波從反射點到換能器的距離；

a——兩換能器間距之半。對于如圖10-4所示雙換能器，超聲波從發(fā)射到24從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，便可以求得待測的物位。超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為±0.1%，檢測物位的范圍為10-2~104m。從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)2510.3.2超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應法、流動聽聲法等。但目前應用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。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。10.3.2超聲波流量傳感器26如果在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L,如圖10-5所示。如設順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，流體靜止時的超聲波傳播速度為c，流體流動速度為v，則（10-13）（10-14）如果在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既可以27圖10-5超聲波測流量原理圖圖10-5超聲波測流量原理圖28一般來說，流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時間差為（10-15）由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即（10-16）一般來說，流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳29圖10-6超聲波傳感器安裝位置圖10-6超聲波傳感器安裝位置30此時超聲波的傳輸時間將由下式確定：（10-17）（10-18）此時超聲波的傳輸時間將由下式確定：（10-17）（10-31超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可測的流體種類很多，不論是非導電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進行測量。還適用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測量。超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可32第10章超聲波傳感器10.1超聲波及其物理性質10.2超聲波傳感器10.3超聲波傳感器應用第10章超聲波傳感器10.1超聲波及其物理性質3310.1超聲波及其物理性質10.1超聲波及其物理性質振動在彈性介質內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于16Hz的機械波，稱為次聲波；高于2×104Hz的機械波，稱為超聲波,如圖10-1所示。頻率在3×108~3×1011Hz之間的波，稱為微波。10.1超聲波及其物理性質10.1超聲波及其物理性質34圖10-1聲波的頻率界限圖當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中傳播速度不同，在介質界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉換等現(xiàn)象。圖10-1聲波的頻率界限圖當超聲波由一種3510.1.1超聲波的波型及其傳播速度聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：①縱波：質點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質中傳播；②橫波：質點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質中傳播；③表面波：質點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?0.1.1超聲波的波型及其傳播速度36超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質的密度；

Ba——絕對壓縮系數(shù)。上述的ρ、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質中的傳播速度隨溫度的變化而變化，表10-1為蒸餾水在0～100℃時聲速隨溫度變化的數(shù)值。（10-1）超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。超37表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化38表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化39從表10-1可見，蒸餾水溫度在0～100℃范圍內(nèi)，聲速隨溫度的變化而變化，在74℃時達到最大值，大于74℃后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質、壓強也會引起聲速的變化。在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系，通?？烧J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，液體中縱波聲速在900～1900m/s。從表10-1可見，蒸餾水溫度在0～100℃范4010.1.2超聲波的反射和折射聲波從一種介質傳播到另一種介質，在兩個介質的分界面上一部分聲波被反射,另一部分透射過界面，在另一種介質內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射，如圖10-2所示。10.1.2超聲波的反射和折射41圖10-2超聲波的反射和折射圖10-2超聲波的反射和折射42由物理學知，當波在界面上產(chǎn)生反射時，入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當波在界面處產(chǎn)生折射時，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質中的波速c1與折射波在第二介質中的波速c2之比，即（10-2）聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得:(10-3)由物理學知，當波在界面上產(chǎn)生反射時，入射角α43(10-4)式中：I0,Ir,It——分別為入射波、反射波、透射波的聲強；

α、β——分別為聲波的入射角和折射角；

ρ1c1、ρ2c2——分別為兩介質的聲阻抗，其中c1和c2分別為反射波和折射波的速度。(10-4)式中：I0,Ir,It——分別為入射波、反44當超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則(10-6)(10-5)當超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則(10-6)(145由式（10-5）和式（10-6）可知，若ρ2c2≈ρ1c1，則反射系數(shù)R≈0，透射系數(shù)T≈1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質透射入第二介質；若ρ2c2>>ρ1c1,反射系數(shù)R≈1，則聲波在界面上幾乎全反射，透射極少。同理，當ρ1c1>>ρ2c2時，反射系數(shù)R≈1，聲波在界面上幾乎全反射。如：在20℃水溫時，水的特性阻抗為ρ1c1=1.48×106kg/(m2·s),空氣的特性阻抗為ρ2c2=0.000429×106kg/(m2·s),ρ1c1>>ρ2c2,故超聲波從水介質中傳播至水氣界面時，將發(fā)生全反射。由式（10-5）和式（10-6）可知，若ρ2c4610.1.3超聲波的衰減聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為（10-7）（10-8）式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。10.1.3超聲波的衰減（10-7）（10-8）式47聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是指超聲波在介質中傳播時，固體介質中的顆粒界面或流體介質中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質的性質和散射粒子的性質有關。吸收衰減是由于介質粘滯性，使超聲波在介質中傳播時造成質點間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉換為熱能，通過熱傳導進行熱交換，導致聲能的損耗。聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴4810.2超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應是將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。10.2超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中49超聲波探頭結構如圖10-3所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，當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。超聲波探頭結構如圖10-3所示，它主要由壓電50圖10-3壓電式超聲波傳感器結構圖10-3壓電式超聲波傳感器結構5110.3超聲波傳感器應用10.3.1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和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。10.3超聲波傳感器應用10.3.1超聲波物位傳感器52圖10-4給出了幾種超聲物位傳感器的結構示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設置在液體介質中，讓超聲波在液體介質中傳播，如圖10-4（a）所示。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖10-4（b）所示。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。圖10-4給出了幾種超聲物位傳感器的結構示意53圖10-4幾種超聲物位傳感器的結構原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播；(b)超聲波在空氣中傳播圖10-4幾種超聲物位傳感器的結構原理示意圖54對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為則（10-9）（10-10）式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質中傳播的速度。對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，55對于如圖10-4所示雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2s，而（10-11）因此液位高度為（10-12）式中：s——超聲波從反射點到換能器的距離；

a——兩換能器間距之半。對于如圖10-