超聲波傳感器課件

1超聲波及其物理性質(zhì)

2超聲波傳感器3超聲波傳感器的應(yīng)用第3-2章超聲波傳感器返回主目錄1超聲波及其物理性質(zhì)第3-2章超聲波傳感器返回主11超聲波及其物理性質(zhì)

振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng),簡(jiǎn)稱波。頻率在16~2×104Hz之間,能為人耳所聞的機(jī)械波,稱為聲波;低于16Hz的機(jī)械波,稱為次聲波;高于2×104Hz的機(jī)械波,稱為超聲波。如圖1。當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí),由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同,在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。1超聲波及其物理性質(zhì)2113

一、超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換

由于聲源在介質(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(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波;②橫波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波;③表面波——質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播,表面波隨深度增加衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量,應(yīng)多采用縱波?？v波、橫波及其表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度,氣體中聲速為344m/s,液體中聲速在900~1900m/s。一、超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換4當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí),除有縱波的反射、折射外,還發(fā)生橫波的反射和折射,在某種情況下,還能產(chǎn)生表面波。

二、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(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射，另一部分透射過(guò)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2所示。當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面5226由物理學(xué)知,當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí),入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí),入射角α的正弦與折射角的正弦之比,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,即三、超聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),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(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為Px=P0e-αx（2）Ix=I0e-2αx（3）由物理學(xué)知,當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí),入射7式中:Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng);x——聲波與聲源間的距離;α——衰減系數(shù),單位為Np/m（奈培/米）。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收,在理想介質(zhì)中,聲波的衰減僅來(lái)自于聲波的擴(kuò)散,即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的,介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。式中:Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng);8利用超聲波在超聲場(chǎng)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(cè)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,而以壓電式最為常用。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(yīng)來(lái)工作的: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),從而產(chǎn)生超聲波,可作為發(fā)射探頭;而利用正壓電效應(yīng),將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào),可用為接收探頭。2超聲波傳感器

利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研9超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜組成。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(jī)械品質(zhì),吸收聲能量。如果沒(méi)有阻尼塊,當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí),晶片將會(huì)繼續(xù)振蕩,加長(zhǎng)超聲波的脈沖寬度,使分辨率變差。3超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由壓電晶片、103超聲波傳感器的應(yīng)用

一、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(kāi)始,到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)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(duì)物位進(jìn)行測(cè)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)射和接收超聲波均使用一個(gè)換能器,而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。3超聲波傳感器的應(yīng)用一、超聲波物位11圖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)置水中,讓超聲波在液體中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小,所以即使發(fā)生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,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。對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō),超聲波從發(fā)射到液面,又從液面反射到換能器的時(shí)間為圖4給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。124413式中:h——換能器距液面的距離;v——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。對(duì)于雙換能器來(lái)說(shuō),超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過(guò)的路程為2s,而s=（6）因此液位高度為h=（s2-a2）1/2（7）式中:s——超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離;a——兩換能器間距之半。式中:h——換能器距液面的距離;14從以上公式中可以看出,只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間,便可以求得待測(cè)的物位。超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)有較大的誤差。在一般使用條件下,它的測(cè)量誤差為±0.1%,檢測(cè)物位的范圍為10-2～104m。二、超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器的測(cè)定原理是多樣的,如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽(tīng)聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時(shí)間差法。超聲波在流體中傳輸時(shí),在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的,利用這一特點(diǎn)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。從以上公式中可以看出,只要測(cè)得超聲波脈沖從15如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器,它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波,一個(gè)裝在上游,一個(gè)裝在下游,其距離為L(zhǎng)。如圖5所示。如設(shè)順流方向的傳輸時(shí)間為t1,逆流方向的傳輸時(shí)間為t2,流體靜止時(shí)的超聲波傳輸速度為c,流體流動(dòng)速度為v,則t1=（8）

t2=（9）

一般來(lái)說(shuō),流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度,那么超聲波傳播時(shí)間差為如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器,它們可以16

Δt=t2-t1=（10）

由于cv,從上式便可得到流體的流速,即v=（11）在實(shí)際應(yīng)用中,超聲波傳感器安裝在管道的外部,從管道的外面透過(guò)管壁發(fā)射和接收超聲波不會(huì)給管路內(nèi)流動(dòng)的流體帶來(lái)影響,如圖6所示。此時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間將由下式確定：

1755186619超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn),可測(cè)流體種類很多,不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體、漿狀流體,只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)可用來(lái)對(duì)自來(lái)水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測(cè)量。超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn),20其它典型應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)控制液位測(cè)量測(cè)定木材尺寸機(jī)器人&AGV控制零件監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)距離測(cè)量絞筒直徑原料處理本底抑制玻璃質(zhì)/透明物體探測(cè)其它典型應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)控制21-絞筒直徑-整理控制-繞線/停止繞線調(diào)控絞筒直徑舉例-絞筒直徑絞筒直徑舉例22堆置高度控制堆置高度控制23厚度測(cè)量厚度測(cè)量24高度的分選和移動(dòng)高度的分選和移動(dòng)2545Defl