《超聲波傳感器》ppt課件

1、第10章 超聲波傳感器 第10章 超聲波傳感器 10.1 超聲涉及其物理性質(zhì)超聲涉及其物理性質(zhì) 10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 10.3 超聲波傳感器運(yùn)用超聲波傳感器運(yùn)用 第10章 超聲波傳感器 10.1 超聲涉及其物理性質(zhì)超聲涉及其物理性質(zhì) 10.1 超聲涉及其物理性質(zhì)超聲涉及其物理性質(zhì) 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為動(dòng)搖，簡稱波。其頻率在振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為動(dòng)搖，簡稱波。其頻率在 162104 Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于16 Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2104 Hz的機(jī)械波，稱為超聲的機(jī)械波，

2、稱為超聲 波波, 如圖如圖10-1所示。頻率在所示。頻率在310831011 Hz之間的波，稱為微之間的波，稱為微 波。波。 第10章 超聲波傳感器 圖10-1 聲波的頻率界限圖 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)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等 景象。 第10章 超聲波傳感器 10.1.1 超聲波的波型及其傳播速度超聲波的波型及其傳播速度 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：的波型也不同。通常有： 縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在縱波：質(zhì)點(diǎn)振

3、動(dòng)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；固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播； 橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固 體介質(zhì)中傳播；體介質(zhì)中傳播； 外表波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)外外表波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)外 表傳播，其振幅隨深度添加而迅速衰減的波，外表波只在固體的表傳播，其振幅隨深度添加而迅速衰減的波，外表波只在固體的 外表傳播。外表傳播。 第10章 超聲波傳感器 超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在 氣體和液體中傳播時(shí)，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的 傳播，其傳

4、播速度c為 n B c 1 式中：介質(zhì)的密度； Ba絕對(duì)緊縮系數(shù)。 上述的、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速 度隨溫度的變化而變化，表10-1為蒸餾水在0100時(shí)聲速隨 溫度變化的數(shù)值。 10-1 第10章 超聲波傳感器 表表10-1 0100范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化 第10章 超聲波傳感器 表表10-1 0100范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化 第10章 超聲波傳感器 從表10-1可見，蒸餾水溫度在0100范圍內(nèi)，聲速隨溫度 的變化而變化，在74時(shí)到達(dá)最大值，大于74后， 聲速 隨溫度的添加而減小。此外，水質(zhì)、壓強(qiáng)也會(huì)引起聲

5、速的變化。 在固體中，縱波、橫涉及其外表波三者的聲速有一定的關(guān)系， 通?？梢詾闄M波聲速為縱波的一半，外表波聲速為橫波聲速的 90%。氣體中縱波聲速為344 m/s，液體中縱波聲速在900 1900m/s。 第10章 超聲波傳感器 10.1.2 超聲波的反射和折射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)，聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)， 在兩個(gè)介質(zhì)的分界面在兩個(gè)介質(zhì)的分界面 上一部分聲波被反射上一部分聲波被反射, 另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)另一部分透射過界面，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，如圖部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射，

6、如圖 10-2所示。所示。 第10章 超聲波傳感器 圖10-2 超聲波的反射和折射 第10章 超聲波傳感器 由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角的正弦與 反射角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 2 1 sin sin c c 10-2 聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得: 2 11 22 0 cos cos c c I I R r (10-3) 第10章 超聲波傳感器 2 2211 2 2211 0 )cos( cos4 cc cc I I T t (10

7、-4) 式中：I0, Ir, It分別為入射波、反射波、透射波的聲強(qiáng)； 、分別為聲波的入射角和折射角； 1c1、2c2分別為兩介質(zhì)的聲阻抗，其中c1和c2分別 為反射波和折射波的速度。 第10章 超聲波傳感器 當(dāng)超聲波垂直入射界面，即=0時(shí)，那么 2 2211 2211 2 11 22 11 22 )( 4 1 1 cc cc T c c c c R (10-6) (10-5) 第10章 超聲波傳感器 由式10-5和式10-6可知，假設(shè)2c21c1，那么反射 系數(shù)R0，透射系數(shù)T1，此時(shí)聲波幾乎沒有反射，全部從第一 介質(zhì)透射入第二介質(zhì)；假設(shè)2c21c1, 反射系數(shù)R1，那么聲 波在界面上幾乎全

8、反射，透射極少。同理，當(dāng)1c1 2c2時(shí)， 反射系數(shù)R1，聲波在界面上幾乎全反射。如：在20水溫時(shí)， 水的特性阻抗為1c1 =1.48106kg/(m2s), 空氣的特性阻抗為 2c2 =0.000 429106 kg/(m2s), 1c1 2c2, 故超聲波從水介質(zhì) 中傳播至水氣界面時(shí)， 將發(fā)生全反射。 第10章 超聲波傳感器 10.1.3 超聲波的衰減超聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播間隔的添加，能量逐漸衰聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播間隔的添加，能量逐漸衰 減，其衰減的程度與聲波的分散、散射及吸收等要素有關(guān)。其減，其衰減的程度與聲波的分散、散射及吸收等要素有關(guān)。其 聲壓和聲強(qiáng)的衰減

9、規(guī)律為聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為 ax x ax x eII ePP 2 0 0 10-7 10-8 式中：Px、Ix距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)； x聲波與聲源間的間隔； 衰減系數(shù)，單位為Np/cm奈培/厘米。 第10章 超聲波傳感器 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決議于聲波的分散、散 射和吸收。 在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的分散， 即隨聲波傳播間隔添加而引起聲能的減弱。散射衰減是指超聲 波在介質(zhì)中傳播時(shí)，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸 浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向 運(yùn)動(dòng)，而構(gòu)成散射。散射衰減與散射粒子的外形、尺寸、數(shù)量、 介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。吸收

10、衰減是由于介質(zhì)粘滯 性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)呵斥質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一 部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，經(jīng)過熱傳導(dǎo)進(jìn)展熱交換，導(dǎo)致聲能的損 耗。 第10章 超聲波傳感器 10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的安裝 可稱為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。 超聲波探頭按其任務(wù)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資料 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。 它是利用壓電資料的壓電效應(yīng)來任務(wù)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； 而正壓電效應(yīng)是將超聲振動(dòng)波

11、轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接納探頭。 第10章 超聲波傳感器 超聲波探頭構(gòu)造如圖10-3所示，它主要由壓電晶片、吸收塊 阻尼塊、維護(hù)膜、引線等組成。 壓電晶片多為圓板形， 厚 度為。超聲波頻率f與其厚度成反比。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)械質(zhì)量， 吸 收聲能量。 假設(shè)沒有阻尼塊，當(dāng)鼓勵(lì)的電脈沖信號(hào)停頓時(shí)， 晶 片將會(huì)繼續(xù)振蕩， 加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。 第10章 超聲波傳感器 圖10-3 壓電式超聲波傳感器構(gòu)造 第10章 超聲波傳感器 10.3 超聲波傳感器運(yùn)用超聲波傳感器運(yùn)用 10.3.1 超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用

12、超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反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。假設(shè)從發(fā)射超聲脈沖開場，到接納換能器接射特性而制成的。假設(shè)從發(fā)射超聲脈沖開場，到接納換能器接 納到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為知，就可以求出分界面的位納到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為知，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)展丈量。根據(jù)發(fā)射和接納換能置，利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)展丈量。根據(jù)發(fā)射和接納換能 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)射和接納超聲波運(yùn)用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳傳感器發(fā)射和接納超聲波

13、運(yùn)用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳 感器發(fā)射和接納各由一個(gè)換能器擔(dān)任。感器發(fā)射和接納各由一個(gè)換能器擔(dān)任。 第10章 超聲波傳感器 圖10-4給出了幾種超聲物位傳感器的構(gòu)造表示圖。超聲波發(fā) 射和接納換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中 傳播，如圖10-4a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 接納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10-4b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。 第10章 超聲波傳感器 圖10-4 幾種超聲物位傳感器的構(gòu)造原理表示圖 (a) 超聲波在液體中傳播；

14、 (b) 超聲波在空氣中傳播 第10章 超聲波傳感器 對(duì)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(shí)間為 2 2 ct h c h t 那 么 10-9 10-10 式中：h換能器距液面的間隔； c超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。 第10章 超聲波傳感器 對(duì)于如圖10-4所示雙換能器，超聲波從發(fā)射到接納經(jīng)過的 路程為2s，而 2 ct s 10-11 因此液位高度為 22 ash 10-12 式中：s超聲波從反射點(diǎn)到換能器的間隔； a兩換能器間距之半。 第10章 超聲波傳感器 從以上公式中可以看出，只需測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接納 的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的物位。 超聲物位傳

15、感器具有精度高和運(yùn)用壽命長的特點(diǎn)，但假設(shè)液 體中有氣泡或液面發(fā)生動(dòng)搖，便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在普通運(yùn)用 條件下， 它的丈量誤差為0.1%，檢測(cè)物位的范圍為10-2104m。 第10章 超聲波傳感器 10.3.2 超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器 超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的，超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的， 如傳播速度變化如傳播速度變化 法、波速挪動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽聲法等。但目前運(yùn)用較法、波速挪動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽聲法等。但目前運(yùn)用較 廣的主要是超聲波傳播時(shí)間差法。廣的主要是超聲波傳播時(shí)間差法。 超聲波在流體中傳播時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速超聲波在流體中傳播時(shí)，在

16、靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速 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，體的截面積， 便可知道流體的流量。便可知道流體的流量。 第10章 超聲波傳感器 假設(shè)在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超 聲波又可以接納超聲波，一個(gè)裝在上游，一個(gè)裝在下游，其間 隔為L, 如圖10-5所示。如設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向 的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c，流體流動(dòng) 速度為v，那么 vc L t vc L t 2 1 10-13 10-14 第10章 超聲波傳感器 圖10-5 超聲波測(cè)流量原理圖 第10章 超聲波傳感器 普通來說，流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度， 因此超聲波傳播時(shí)間差為 22 12 2 vc Lv ttt 10-15 由于cv, 從上式便可得到流體的流速， 即 t L c v 2 2