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中施力方向與波在介質中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：①縱波：質點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質中傳播；②橫波：質點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質中傳播；③表面波：質點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質表面?zhèn)鞑ィ湔穹S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

8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器

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

8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器

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中的波速c1與折射波在第二介質中的波速c2之比，即8.2超聲波傳感器8.2超聲波傳感器5.聲波在介質中的衰減聲波在介質中傳播時，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換成電信號的聲電轉換裝置，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

超聲波探頭結構如圖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，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構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(如被檢測材料或結構)中傳播時，通過被檢測材料或結構內(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構有著密切的關系，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構示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設置在液體介質中，讓超聲波在液體介質中傳播，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構原理示意圖(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