超聲波傳感器下

超聲波傳感器下2023/6/25第一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五壓電材料的固有頻率：當(dāng)外加交變電壓頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振，這時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)?！舱駢弘娦?yīng)換能器可以產(chǎn)生幾十千赫茲到幾十兆赫茲的高頻超聲波。2023/6/25第二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五三、超聲波接收器原理在超聲波技術(shù)中，除了需要能產(chǎn)生超聲波的發(fā)生器以外，還需要能接收超聲波的接收器。一般的超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進(jìn)行工作的。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。它的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時(shí)就用同一個(gè)換能器兼做發(fā)生器和接收器兩種用途。壓電晶體測(cè)量電路超聲波2023/6/25第三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。1、超聲波測(cè)距原理：超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到相介面經(jīng)過反射后，再反回到接收探頭。Δ超聲波探頭2023/6/25第四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2、超聲波探頭材料常用的材料：壓電晶體和壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。工作原理：利用壓電材料的壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可做為發(fā)射探頭。利用正壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。2023/6/25第五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。2023/6/25第六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五耦合劑超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。2023/6/25第七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五空氣超聲探頭以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭。錐形共振盤：提高發(fā)生效率；阻抗匹配器：提高接受效率。a）

超聲發(fā)射器b）超聲接收器

1—外殼2—金屬絲網(wǎng)罩3—錐形共振盤4—壓電晶片5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束2023/6/25第八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五四、超聲波傳感器的應(yīng)用當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型反射型可用于接近開關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。反射透射2023/6/25第九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五1、超聲波流量計(jì)F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)T12023/6/25第十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五測(cè)量流量原理時(shí)間差法測(cè)量流量原理：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。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差t，可得到流體的平均速度及流量。2023/6/25第十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五在t1、t2時(shí)間內(nèi)，分別對(duì)頻率為f0的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，記得脈沖數(shù)為N1、N2：2023/6/25第十二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五2023/6/25第十三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用2023/6/25第十四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五同學(xué)們是否注意：當(dāng)一輛汽車響著喇叭從你身邊疾駛而過時(shí)，喇叭的音調(diào)會(huì)由高變低，好像汽車駛來的時(shí)候唱著音符“1”，離開的時(shí)候就唱音符“

7”了。1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒帶著女兒在鐵道旁散步時(shí)就注意到了類似的現(xiàn)象，他經(jīng)過認(rèn)真的研究，發(fā)現(xiàn)波源和觀察者互相靠近或者互相遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變化，并且做出了解釋，人們把這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。－1－－7－2、超聲波多普勒測(cè)量車速2023/6/25第十五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五模擬實(shí)驗(yàn)讓一隊(duì)人沿街行走，觀察者站在街旁不動(dòng)，每秒有9個(gè)人從他身邊通過（圖甲）。這種情況下的“過人頻率”是9人／秒；如果觀察者逆著隊(duì)伍行走，每秒和觀察者相遇的人數(shù)增加，也就是頻率增加（圖乙）；反之，如果觀察者順著隊(duì)伍行走，頻率降低（圖丙）。

甲乙丙2023/6/25第十六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五超聲波情況相似當(dāng)波源和觀察者相對(duì)靜止時(shí)，1s內(nèi)通過觀察者的波峰（或密部）的數(shù)目是一定的，觀察到的頻率等于波源振動(dòng)的頻率；當(dāng)波源和觀察者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，1S內(nèi)通過觀察者的波峰（或密部）的數(shù)目增加，觀察到的頻率增加；反之，當(dāng)波源和觀察者互相遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到的頻率變小。2023/6/25第十七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五交通警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度。2023/6/25第十八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五3、超聲波測(cè)量液位和物位原理在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。2023/6/25第十九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五c：超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度。由此可見，只要知道超聲波速度，就對(duì)以通過精確地測(cè)量時(shí)間t的方法來精確測(cè)量距離L。聲速c在各種不同的液體中是不同的。即使在同一種液體中，由于溫度和壓力不同，其值也不相同。由于液體中其它成分的存在及溫度的不均勻都會(huì)使c發(fā)生變化，引起測(cè)量誤差，故在精密測(cè)量時(shí)，要考慮采取補(bǔ)償措施。2023/6/25第二十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五超聲波測(cè)量液位和物位喇叭形超聲發(fā)生器2023/6/25第二十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期五4、穿透法探傷：根據(jù)超聲波