傳感技術(shù)及應(yīng)用超聲波傳感器

基本原理：利用某種待測(cè)的非聲量與某些描述媒質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量之間存在著的直接或間接的關(guān)系。測(cè)量對(duì)象：密度、流量、液位、厚度、缺陷等基于反射原理的示意圖第九章超聲波傳感器一、概述1、超聲波及其基本特性波（動(dòng)）：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)。

頻率：次聲波、聲波、超聲波、微波第九章超聲波傳感器次聲波：低于16Hz的機(jī)械波；聲波：其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波；超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波；微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波；2、超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換和波速縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致。（固、液、氣）橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向。（固）表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減。（固體表面）L1界面介質(zhì)1介質(zhì)22L1L2S1S2L—入射縱波；L1

—反射縱波；L2

—折射縱波

S1

—反射橫波；S2—折射橫波。第九章超聲波傳感器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。第九章超聲波傳感器3、超聲波的反射和折射當(dāng)波速一致時(shí)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—折射聲波速第九章超聲波傳感器（1）反射定律4、聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為P0、I0—聲波在x=0處的聲壓和聲強(qiáng)；P、I—聲波在x處的聲壓和聲強(qiáng)；—衰減系數(shù)。應(yīng)用：工件的厚度、球墨鑄鐵的球化程度、泥漿的濃度等。第九章超聲波傳感器5、超聲波與介質(zhì)的相互作用機(jī)械效應(yīng)超聲波可以引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)空化效應(yīng)一般表現(xiàn)在液體中微氣泡的振動(dòng)熱效應(yīng)

介質(zhì)吸收超聲波的能量第九章超聲波傳感器二、超聲波傳感器1、定義：

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獲超聲波探頭。應(yīng)用：超聲波傳播時(shí)間傳感器、目標(biāo)探測(cè)、流量測(cè)量、液位測(cè)量、超聲清洗、超聲醫(yī)療等。特點(diǎn)：精度高，被測(cè)物體不受影響。第九章超聲波傳感器2、分類結(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、電磁式第九章超聲波傳感器3、壓電式探頭超聲波傳感器大多數(shù)利用壓電材料制成，逆壓電效應(yīng)將電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，作為發(fā)射探頭；正壓電效應(yīng)將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，作為接收探頭。壓電探頭主要通過壓電晶片將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)第九章超聲波傳感器第九章超聲波傳感器三、超聲波傳感器的應(yīng)用1、超聲波測(cè)厚脈沖回波法：第九章超聲波傳感器續(xù)：超聲波測(cè)厚主控制器脈沖發(fā)送電路接收電路探頭標(biāo)準(zhǔn)振蕩電路計(jì)數(shù)電路第九章超聲波傳感器2、液位測(cè)量通過測(cè)量發(fā)射和接收信號(hào)之間的時(shí)間差測(cè)距離。第九章超聲波傳感器液位計(jì)第九章超聲波傳感器第九章超聲波傳感器3、超聲波探傷穿透法探傷：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(cè)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(jiǎn)單，適用于自動(dòng)探傷；可避免盲區(qū)，適宜探測(cè)薄板。缺點(diǎn)：探測(cè)靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷；根據(jù)能量的變化可判斷有無缺陷，但不能定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)位置要求較高。穿透法探傷原理

第九章超聲波傳感器（2）一次脈沖反射法

一次脈沖反射法探傷原理第九章超聲波傳感器（3）多次脈沖反射法

多次脈沖反射法探傷原理第九章超聲波傳感器3、超聲流量計(jì)理論基礎(chǔ)：超聲波在流體中的傳播速度與流體的流動(dòng)速度有關(guān)。特點(diǎn)：超聲非接觸測(cè)量；無壓力損失；適合于大型管道等。工作原理：傳播時(shí)間法、多普勒（效應(yīng)）法；波束偏移法、相關(guān)法等。第九章超聲波傳感器第九章超聲波傳感器在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)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(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差t、相位差φ或頻率差f等方法，可測(cè)量出流體的平均速度及流量。超聲波流量傳感器工作原理傳播時(shí)間法第九章超聲波傳感器第九章超聲波傳感器超聲波傳感器安裝位置