超聲波傳感器課件

8.2超聲波傳感器8.2.1超聲波物理基礎

1.聲波的分類聲波：其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機械波次聲波：低于16Hz的機械波超聲波：高于2×104Hz的機械波微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器2.超聲波的波型聲源在介質(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?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器3.聲速超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器

在氣體中，傳播速度與氣體種類、壓力及溫度有關，在空氣中傳播速度為

（m/s）

式中t——環(huán)境溫度

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對于固體，其傳播速度c為式中E——固體的彈性模量；

μ——泊松系數(shù)比。8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器4.超聲波的反射和折射圖8.6超聲波的反射和折射

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由物理學知，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8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器5.聲波在介質(zhì)中的衰減聲波在介質(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。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為式中：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）。8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器8.2.2超聲波傳感器

1.超聲波傳感器的含義超聲波傳感器是將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的聲電轉(zhuǎn)換裝置，習慣上又稱為超聲波換能器或超聲波探頭，它是利用超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理特性工作的。8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器2.超聲波傳感器的類型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。

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來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應是將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器

超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖8-7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，作導電的極板。阻尼塊的作用：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。8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器圖8-7壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器8.2.3超聲波傳感器的應用

1.超聲波探傷超聲波探傷是利用超生波在物理介質(zhì)(如被檢測材料或結(jié)構(gòu))中傳播時，通過被檢測材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的缺陷處，超聲波會產(chǎn)生折射、反射、散射或劇烈衰減等，通過分析這些特性，就可以建立缺陷與超聲波的強度、相位、頻率、傳播時間、衰減特性等之間的相互關系，由于超聲波的傳播特性與被檢測材料或結(jié)構(gòu)有著密切的關系，因此通常需要根據(jù)被檢測對象選擇相應的超聲檢測方法。8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器

（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。8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器

圖8-8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置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播，如圖8-8（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8-8（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。

8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器圖8-8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8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器

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。8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器

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