聲波式傳感器

聲波式傳感器第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二7.1聲/超聲波傳感器7.1.1聲/超聲波及其物理性質(zhì)振動在彈性介質(zhì)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,如圖下所示。頻率在3×108~3×1011Hz之間的波，稱為微波。第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小；方向性好、能夠成為射線而定向傳播；對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。當超聲波由一種介質(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。碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)；

傳播速度取決于媒質(zhì)，與超聲波頻率無關(guān)。超聲波的特點第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二1.聲/超聲波的波型及其傳播速度

聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：①縱波：質(zhì)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(zhì)中傳播；②橫波：質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；③表面波：質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度增加而迅速衰減的波，表面波只能在固體、中傳播。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波。超聲波的頻率越高，與光波的某些性質(zhì)越相似。第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質(zhì)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(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化，表7-1為蒸餾水在0～100℃時聲速隨溫度變化的數(shù)值。（7-1）第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二表7-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

從表7-1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(zhì)、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(guān)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。第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二2.聲/超聲波的反射和折射

聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個介質(zhì)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(zhì)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7-2所示。第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二圖7-2超聲波的反射和折射第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

由物理學(xué)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(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即（7-2）聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得:(7-3)第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二(7-4)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(zhì)的聲阻抗，其中c1和c2分別為反射波和折射波的速度。第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二當聲/超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則(7-6)(7-5)第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

由式（7-5）和式（7-6）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(zhì)透射入第二介質(zhì)；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。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(zhì)中傳播至水氣界面時，將發(fā)生全反射。第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二3.聲/超聲波的衰減

聲壓:介質(zhì)中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播時的靜壓強之差稱為聲壓。單位為Pa，1Pa=1N/m2

聲強:又稱為聲波的能流密度，即單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量。

聲強是一個矢量，它的方向就是能量傳播的方向，聲強的單位是W/m2。

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，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為（7-7）（7-8）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）。第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

聲波在介質(zhì)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(zhì)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(zhì)中傳播時，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)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(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時造成質(zhì)點間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導(dǎo)進行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。

第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二7.1.2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(yīng)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。第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二壓電式超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。當外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會產(chǎn)生共振，此時產(chǎn)生的超聲波最強。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進行工作的。當超聲波作用到壓電晶片上時引起晶片伸縮，在晶片的兩個表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。

第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二由于用途不同，壓電式超聲波傳感器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖7-3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(dǎo)電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質(zhì)，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。

第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二圖7-3壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

幾種典型超聲波探頭結(jié)構(gòu)

第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二磁致伸縮式超聲波傳感器

磁致伸縮式超聲波傳感器是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)生機械尺寸的交替變化即機械振動，從而產(chǎn)生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材料伸縮，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。第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波傳感器的典型應(yīng)用各種場合的距離測量；生產(chǎn)線上的工件計數(shù)；接近開關(guān)；倒車報警裝置；機器人自動避障裝置；超聲波液位/物位計；自動門開關(guān)裝置；液體、氣體的濃度和流量檢測；超聲波清洗；超聲波霧化；探傷、測厚、測密度；醫(yī)療器械、美容儀、按摩儀

無損探傷第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波測厚圖13.4脈沖回波法檢測厚度工作原理第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波物位傳感器

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(dān)任。第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

圖7-4給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播，如圖7-4（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7-4（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。第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二圖7-4幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)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第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

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（7-9）（7-10）式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

對于如圖7-4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（7-11）因此液位高度為（7-12）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。第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

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%。第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波流量傳感器

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(yīng)法、流動聽聲法等。但目前應(yīng)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。第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

如果在流體中設(shè)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7-5所示。如設(shè)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（7-13）（7-14）第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二圖7-5超聲波測流量原理圖第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

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（7-15）由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即（7-16）第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二此時超聲波的傳輸時間將由下式確定：第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

頻率差法測量流量原理：

A、B是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由A發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被B接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)A的驅(qū)動電路，使A發(fā)射第二個聲脈沖。緊接著，由B發(fā)射超聲脈沖，而A作接收器，可以測得A的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測得B的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測流速v成正比。BA第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二多普勒（效應(yīng)）法第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

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(dǎo)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。第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二常用超聲波流量傳感器分類：時差法和多普勒效應(yīng)法；

固定式和便攜式；條件傳播時間差法多普勒法適用液體水類(江河水，海水農(nóng)業(yè)用水等),油類（純凈燃油，潤滑油，食用油等），化學(xué)試劑，藥液等含雜質(zhì)多的水(下水，污水，農(nóng)業(yè)用水等)，漿類(泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等)，油類(非凈燃油，重油，原油等)重復(fù)性誤差0.1%-0.3%1%傳輸電纜長度100-300m,在能保證信號質(zhì)量的前提下,可以小于100m<30m價格較高一般較低第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波探傷

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。第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二穿透法探傷

優(yōu)點：指示簡單，適用于自動探傷；可避免盲區(qū)，適宜探測薄板。缺點：探測靈敏度較低，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；對兩探頭的相對位置要求較高。第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二一次脈沖反射法

一次脈沖反射法探傷原理第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二多次脈沖反射法

當透人試件的超聲波能量較