西南交大自動檢測技術(shù)課件-第八章-超聲波傳感器

第八章超聲波傳感器一、定義超聲波傳感器：根據(jù)超聲波的特性實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，完成非電量檢測的裝置。聲波是機(jī)械波。超聲波是機(jī)械波的一種，超聲波的頻率高于20kHz。超聲波特性：波長短，繞射現(xiàn)象??；方向性好，能定向傳播；超聲波在傳播過程中衰減很小。超聲波在工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。第八章超聲波傳感器1二、超聲波的傳播特性振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生三種形式的振蕩波；橫波——質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波；縱波——質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波；表面波——質(zhì)點(diǎn)振動介于縱波與橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。說明：橫波只能在固體中傳播；縱波能在固態(tài)、液體和氣體中傳播；表面波隨深度的增加而衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波。

二、超聲波的傳播特性2（一）超聲波的傳播速度超聲波也與其它聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。1、在氣體和液體中，其傳播速度c為式中ρ——介質(zhì)的密度；Ba——絕對壓縮系數(shù)。2、在固體中，其傳播速度為：式中E——楊氏模量；（一）超聲波的傳播速度式中ρ——介質(zhì)的密度；式中E——楊3（二）超聲波的物理性質(zhì)當(dāng)超聲波在兩種介質(zhì)中傳播時，在它們的界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)，稱為反射波；反射定律：

入射角與反射角的正弦之比等于入射波與反射波的速度之比。

另一部分能量透射過界面，在另一個介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，稱之為折射波，

（二）超聲波的物理性質(zhì)反射定律：入射角與反射角的正弦之比4式中I0——距離聲源x=0處的聲強(qiáng)；x——超聲波與聲源間的距離；A——衰減系數(shù)，（三）超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播時，其聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。距離聲源x處的聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下折射定律：入射角的正弦與折射角的正弦之比等于介質(zhì)1中入射波的波速與介質(zhì)2中折射波的波速之比。式中I0——距離聲源x=0處的聲強(qiáng)；（三）超聲波的衰減折5（四）超聲波的波型轉(zhuǎn)換當(dāng)超聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）界面上時除有縱波的反射、折射波外，還會有橫波的反射和折射，在一定條件下，還能產(chǎn)生表面波。

若介質(zhì)為液體或氣體，則僅有縱波。（四）超聲波的波型轉(zhuǎn)換當(dāng)超聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體6二、超聲波傳感器超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波探頭：能發(fā)射超聲波信號，又能接收發(fā)射出去的超聲波的回波，并將其轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。超聲波探頭可分為：直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭。直探頭、斜探頭結(jié)構(gòu)主要為：壓電晶片、內(nèi)部接線片、導(dǎo)線細(xì)桿、金屬外殼、接線柱等。二、超聲波傳感器7雙探頭（組合式探頭）：在一個探頭內(nèi)安裝2塊壓電片，分別用于發(fā)射和接收，并內(nèi)裝有延遲塊，使超聲波延遲一段時間再射入工件。超聲波探頭按其工作原理可分為：壓電式（電致伸縮式）、磁致伸縮式等。實(shí)際使用中采用壓電式探頭最為常見。（一）超聲波發(fā)生器1、超聲波的發(fā)生超聲波發(fā)生器組成：換能器產(chǎn)生高頻電流或電壓的電源雙探頭（組合式探頭）：在一個探頭內(nèi)安裝2塊壓電片，分別用于發(fā)8（1）壓電式換能器工作原理：在壓電晶體切片的兩對面上加上高頻交變的電壓，晶體切片將產(chǎn)生伸長與縮短的現(xiàn)象。壓電材料的固有振蕩頻率：

f=n?C/2dn—諧波的級數(shù)，C為聲波在壓電材料中的傳播速度。（2）磁致伸縮式換能器工作原理(磁致伸縮效應(yīng)）：鐵磁材料在交變的磁場中，在順著磁場的方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象（機(jī)械尺寸的交替變化）。（1）壓電式換能器9（二）超聲波接收器利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)進(jìn)行工作。（1）壓電式超聲波接收器工作原理：當(dāng)超聲波作用到壓電晶體切片上時，在晶片的兩個表面將產(chǎn)生交變的電荷。（2）壓磁式超聲波接收器工作原理（壓磁效應(yīng)）：當(dāng)超聲波作用到鐵磁材料上，引起它內(nèi)部導(dǎo)磁率發(fā)生變化，在鐵磁材料的測量繞組上獲得感應(yīng)電勢。（二）超聲波接收器10三、超聲波在檢測中的應(yīng)用1、超聲探傷原理：利用超聲波的發(fā)射和折射的物理現(xiàn)象。當(dāng)超聲波在2種介質(zhì)中傳播時，在它們的界面上一部分能量反射回原介質(zhì)，另一部分能量透射過界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。高頻超聲波波長短，不易產(chǎn)生繞射，遇到分界面有明顯的反射。以穿透法探傷為例：根據(jù)超聲波穿透工件后能量變化狀況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。三、超聲波在檢測中的應(yīng)用112、超聲波測液位原理：利用超聲波在氣體或液體中的回聲測距原理。當(dāng)超聲探頭向液面發(fā)射超聲脈沖，經(jīng)過時間T后，探頭接收到從液面發(fā)射回來的回音脈沖，

h=(v?T)/2v:超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度。超聲波液位傳感器類型：氣介式，液介式結(jié)構(gòu)：單探頭，雙探頭2、超聲波測液位123、設(shè)計(jì)超聲波探測儀要求：測量發(fā)射器和探測物之間的距離。超聲波發(fā)射器每隔一定時間t發(fā)射6個脈沖串，每發(fā)完6個脈沖串后對測量電路提供一個短脈沖。超聲波接收器每接收到6個脈沖串后也對測量電路提供一個短脈沖。超聲波發(fā)生器40KHz振蕩器RS雙穩(wěn)電路1低頻脈沖發(fā)生器6分頻器1超聲波接收器交流放大器觸發(fā)器6分頻器2雙穩(wěn)電路23、設(shè)計(jì)超聲波探測儀超聲波發(fā)生器40KHz振蕩器RS雙穩(wěn)電路13

熱電式傳感器1、試比較熱電阻、熱敏電阻、熱電偶測溫原理的異同（從電阻－溫度特性角度）。2、簡述在工業(yè)控制現(xiàn)場采用熱電偶測溫進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償?shù)谋匾?？常用冷端補(bǔ)償有幾種方法？如果要求完成對冷端溫度自動補(bǔ)償，補(bǔ)償電路應(yīng)如何設(shè)計(jì)？3、簡述熱電偶冷端補(bǔ)償導(dǎo)線的作用。

壓電式傳感器1、什么是壓電效應(yīng)？什么是順向壓電效應(yīng)？什么是逆向壓電效應(yīng)？石英晶體的橫向和縱向壓電效應(yīng)的產(chǎn)生與外力作用的關(guān)系是什么？2、設(shè)石英晶片的輸出電壓幅值為200mv，若要產(chǎn)生一個大于500mv的信號，需要幾片石英晶片采用什么樣的連接方式，其測量電路（針對前置放大電路）應(yīng)如何設(shè)計(jì)？熱143、比較石英晶體和壓電陶瓷各自的特點(diǎn)？4、壓電式傳感器的前置放大器作用是什么?說明壓電元件的等效電路及其電荷式前置放大器的特點(diǎn)?5、采用壓電傳感器能否測量