超聲波傳感器概述

1、超聲波傳感器概述姓名：韓旭學號：131221047班級：13級電氣（三）班摘要：人能聽見聲音的頻率為20HZ-20KHZ，即為可聽聲波，20HZ以下的聲音稱為次聲波，超出20KHZ以上的聲波為超聲波。超聲技術是通過超聲波產生、傳輸及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。該技術在國民經濟中，對提高產品質量，保障生產和設備安全運作，降低生產成本，提高生產效率具有潛在能力。因此，我國對超聲技術和超聲波傳感器的研究十分活躍。參考文獻：現代傳感技術與系統(tǒng)林玉池、曾周末主編-北京：機械工業(yè)出版社2009.6 I版工業(yè)常用傳感器選型指南曲波、肖勝兵、呂建平編著北京：清華大學出版社.I

2、版生物醫(yī)學傳感技術（加拿大）Iniewski等著：陳星、劉清君、王平譯北京：機械工業(yè)出版社.2014.9一、聲波的多普勒效應當聲波和觀察者（或聲波接收器）在連續(xù)介質中相對運動是觀察者接收到聲波頻率與聲源發(fā)生的頻率不同，兩者靠近時頻率升高，遠離時頻率降低，這種現象稱為聲音的多普勒效應。當聲源和觀測者分別以速度Vs和Vo運動時，并且運動方向在同一條直線上，則觀察者接收到的聲波頻率為f為.f=(VVo/-VVs)*f1式中，f1為聲源振動頻率；V為介質中的聲速；當觀察者向著聲源運動時，Vo取“+”，反之取“”；聲源向著觀察者運動時，Vs取“”，反之取“+”。利用聲波的多普勒效應可以制成超聲波傳感器，

3、用以檢查人體活動器官（如心臟，血管）的活動等。二、超聲波與超聲波傳感器2.1超聲波的特性超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，它的方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農業(yè)上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大于人的聽覺上限而得名?？茖W家們將每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz-20000Hz。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學診斷的超聲波頻率為1兆赫茲-30兆赫茲。理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個物體振

4、動的能量與振動頻率成正比，超聲波在介質中傳播時，介質質點振動的頻率很高，因而能量很大.在中國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣濕度，這就是超聲波加濕器的原理。如咽喉炎、氣管炎等疾病，很難利用血流使藥物到達患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠提高療效。利用超聲波巨大的能量還可以使人體內的結石做劇烈的受迫振動而破碎，從而減緩病痛，達到治愈的目的。超聲波在醫(yī)學方面應用非常廣泛，可以對物品進行殺菌消毒。2.1.1超聲波的基本特性超聲波具有以下四個基本特性： 射特性：超聲波波長段，發(fā)散性能較弱

5、，可以近似集中成一束射線； 吸收特性：超聲波在空氣、液體和固體中均會被吸收?？諝庵械奈兆顝娏?，固體中的吸收微弱； 高功率：由于頻率高，超聲波的功率比聲波大得多，它不僅能使所通過的介質產生急速運動，甚至會破壞其分子結構；聲壓作用：超聲波振動使物質分子產生壓縮和稀疏作用，這種由于聲波振動引起的附加壓力現象叫聲壓現象。2.1.2超聲波在介質中傳輸導致的效應上述基本特性使超聲波在媒體中產生如下效應：機械效應、熱學效應、空化效應、聲流效應和生物學效應?；谝陨咸匦?，超聲波在工業(yè)、農業(yè)、國防、醫(yī)藥衛(wèi)生和科學研究等方面得到廣泛的應用。2.1.3超聲波的波型及其轉換超聲波的波型、轉換方式以及傳輸速度等方面同

6、聲波一致。 波型：由于聲源在介質中的施力方向與波在介質中傳播方向不同，聲波的波型也不同。通常有縱波，能在固體、液體和氣體中傳播；橫波，只能在固體中傳播；表面波，質點的振動介于縱波和橫波之間，質點振動的軌跡是橢圓形（其長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向），只沿著固體表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波。 波型轉換：當縱波以某一角度入射到第二種固體介質的界面上時，除有縱波的反射、折射以外，還發(fā)生橫波的反射及折射。在某種情況下，還能產生表面波，各種波型都符合反射及折射定律。 傳播速度：縱波、橫波以及表面波的傳播速度，取決于介質的彈性常數及密度。由于氣體和液體的剪切模量為零，所以超聲波在氣體和液

7、體中沒有橫波，只能傳播縱波。氣體中的聲速為344m/s，液體中聲速為900-1900m/s；在固體中縱波、橫波和表面波三者的聲速有一定的關系，通?？烧J為橫波聲速為縱波聲速的一般，表面波聲速約為橫波聲速的90%。2.1.4聲波在介質中的衰減特性聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為：Px=Po*e(-ax),Ix=Io*e(-2ax)式中，Px,Ix為平面波在x處的聲壓和聲強；Po,Io為平面波在x=0處的聲壓和聲強；a為衰減系數。聲波能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想的介質中聲波的衰減僅僅來自聲波的擴散，隨著聲波傳播距離的增加，在單位面積內聲

8、能會減弱。散射衰減指聲波在介質的導熱性、黏滯性及彈性滯后等因素造成的，如介質吸收聲能并轉換為熱能，吸收隨聲波頻率的升高而增高。因此，衰減系數a因介質材料的性質而異，晶粒越粗、頻率越高衰減愈大，衰減系數往往會限制最大探測厚度。2.2超聲波傳感器以超聲波作為檢測手段，必須有能產生和接收超聲波功能的裝置，這個人裝置稱為超聲波傳感器。習慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波傳感器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。在檢測技術中最常用的是壓電式超聲波探頭。壓電式超聲波傳感器的敏感元件一般用壓電晶體，可發(fā)射和也可接收超聲波。超聲波傳感器因其結構和使用的波型不同可分為直探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、可變角探

9、頭、雙晶探頭、聚焦探頭、水浸探頭、噴水探頭和專用探頭等。1. 直探頭直探頭有壓電晶片、吸收塊和保護膜組成，基本結構如圖所示。壓電晶片多為圓片形，其厚度與超聲波頻率成反比，直徑與半擴散角成反比。晶片的兩面鍍有銀層，作為導電極板。為避免晶片磨損，通常黏有硬質材料作為保護膜。吸收塊用鎢粉、環(huán)氧樹脂和固化劑等澆注，可吸收聲能，降低機械品質因素，從而可限制脈沖寬度、減小盲區(qū)和提高分辨能力。2斜探頭斜探頭可發(fā)射和接收橫波，主要有壓電晶片、吸收塊和斜楔塊組成，其結構如圖所示。晶片產生縱波，經斜楔塊傾斜入射到被檢工件中轉換為橫波。若斜楔為有機玻璃，工件為鋼，斜探頭的入射角在28-61之間時，在鋼中可產生橫波。

10、斜楔塊形狀的設計應在使超聲在斜楔塊中傳播時不得返回晶片，以免出現雜波。斜探頭折射角的正切值稱為斜探頭的K值。斜探頭角度規(guī)格是按K值為簡單數值而系列化的，如K等于1,1.5,2,2.5，。利用K值在探傷中進行缺陷定位、定量計量十分簡便。3.可變角探頭可變角探頭可以連續(xù)改變入射角，以產生縱波、橫波、表面波和板波，其結構如圖所示。使用時可根據需要調整角度，以產生不同的波型。4.雙晶探頭雙晶探頭又稱為組合式或分割式探頭。兩塊壓電晶片裝在一個探頭架內，一個晶片發(fā)射，另一個晶片接受。它們發(fā)射和接受縱波，其結構如圖所示。晶片下的延遲塊（有機玻璃或環(huán)氧樹脂）使聲波延遲一段時間后射入工件，從而可檢測近表面缺陷，

11、減小了盲區(qū)，并可提高分辨力。兩晶片之間用隔聲層分開，晶片間的傾角通常為3-8。兩晶片聲場的重疊部分是檢測靈敏度的最高區(qū)域，此區(qū)域一般呈菱形。5.水浸探頭的結構與直探頭相似，但不需要保護膜。由于結構密封，它可浸在水中探傷，通常用水耦合。其結構如圖所示。6.聚焦探頭聚焦探頭可將超聲波聚焦成細束（線狀或點狀），在焦點處聲能集中，可提高檢測靈敏度和分辨力。聚焦探頭發(fā)射縱波，在水浸法探傷中，調整入射角可在工件中產生橫波、表面波或蘭姆波。超聲波的聚焦有兩種方法，一種將壓電晶片做成凹面，發(fā)射的聲波直接聚焦；另一種是用透鏡的方法將聲束聚焦。實際上應用后一種方法較多。點聚焦探頭靈敏度高，探傷速度慢；線聚焦探頭靈

12、敏度低一些，但增大了掃盲面積。接觸式聚焦探頭已投入使用。主要有三種類型，即球面振子式點聚焦斜探頭、反射式點聚焦斜探頭和透鏡式點聚焦斜探頭。近年來對探頭的研制發(fā)展很快，目前已能分辨出0.250.15mm板厚的多次反射波。還研制了縱波斜探頭、分隔式斜探頭、頻率可變探頭、多頻探頭、噴水探頭和各種專業(yè)探頭等。在高溫檢測方面，研制了鈮酸鋰高溫探頭和非接觸式電磁高溫探頭等，可在700下進行檢測。2.3超聲波傳感器的工作原理超聲波能直線傳播，頻率越高，繞線能力越弱，但反射能力越強，利用超聲波的這種性質就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播速度較慢，約為340m/s。超聲波傳感器的敏感元件多用壓電晶體

13、，依據的原理是壓電效應。敏感元件從結構上分為兩種：一種既有發(fā)送元件也有接受元件；另一種敏感元件同時具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。它們構成的傳感器分別稱為專用型和兼用型超聲波傳感器。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。壓電效應有逆效應和順效應，超聲波發(fā)送器就是利用逆壓電效應的原理工作的。逆效應如圖所示，在壓電元件上施加交變電壓，元件變形，即應變。若在圖（）所示的已極化的壓電陶瓷上施加圖（）所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加電壓的極性變反，如圖（）所示那

14、樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。這種現象叫電致伸縮。由于敏感元件的伸縮，引起介質的振動，形成聲波。如圖（一）所示是超聲波傳感器的結構圖。它采用雙晶振子，即把雙壓電片以相反極化方向黏在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，分別用引線接到兩個電極上。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊有圓弧形凸起部分支撐著，這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，高效率地發(fā)送超聲波。接收超聲波是，超聲波的震動集中于振子的中心，產生高頻電壓。如圖（二）所示是雙晶振子超聲波傳感器的工作原理示意圖。若在雙晶振子

15、上施加的高頻電壓，根據逆壓電效應，壓電陶瓷片、就隨所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就發(fā)送頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，送給超聲波接收器。圖（二）接收器中也有與發(fā)射器結構相同的雙晶振子，若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進行振動，由于壓電效應的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就產生壓電效應，一面產生正電荷，另一方面產生負電荷；于是。就產生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當然這種電壓非常小，要用放大器進行放大。2.超聲波傳感器的分類2.4.1通用性超聲波傳感器超聲波傳感器的貸款一般為幾千赫茲，并有選頻特性。如圖列出（接收傳感器）與（發(fā)送傳感器）的頻率特性。開路時

16、，傳感器輸出電壓較高，但阻抗也高，易受噪聲的影響，通常要接入幾千歐姆到幾百千歐姆的電阻。通用型超聲波傳感器的頻帶窄，但靈敏度較高，抗干擾性強。它的接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的。2.4.2寬帶性超聲波傳感器在多通道中使用時，采用寬頻帶傳感器較為方便，寬帶型超聲波傳感器在工作帶寬內具有兩個諧振頻率。如圖表示MA23L3(發(fā)送接收共用)傳感器的頻率特性。由圖可見，其頻率特性就相當于兩種傳感器的組合。因此，在很寬頻帶范圍內，具有較高的靈敏度。因為寬帶傳感器具有兩個諧振點，所以，一個傳感器可兼作接收傳感器與發(fā)送傳感器。2.4.3密封型超聲波傳感器密封型超聲波傳感器對環(huán)境的適應性較強，可應用于汽車后

17、方檢測物體的裝置及待時計算器等。如圖為MA40E1R（接收）與MA40E1S（發(fā)送）傳感器的頻率特性。2.4.4高頻性超聲波傳感器如下圖表示MA200A1（發(fā)送與接收共用）傳感器的規(guī)格，其中心頻率高達200KHZ，可以進行較高分辨率的測量。由圖可知傳感器的方向性，它的反射角較窄。2.5超聲波傳感器的應用超聲波傳感器應用較廣泛，例如追中通信裝置、各種防盜裝置、超聲波探傷儀、超聲波測厚儀、超聲波物位儀流量計、超聲波洗滌機、超聲波加濕器、超聲波治療儀、驅蟲裝置、超方向性喇叭等。2.5.1超聲波測厚用超聲波測量金屬零件的厚度，具有測量精度高、操作簡單、可連續(xù)自動檢測等優(yōu)點。超聲波測厚常用脈沖回波法。此

18、方法的工作原理如圖所示。超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控制器用一定頻率的脈沖信號激勵壓電式探頭，使之產生重復的超聲波脈沖。脈沖被傳到被測工件另一方面時被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速c是已知的，設工件厚度為d，脈沖波被從發(fā)射到接收的時間間隔t可以測量，因此可求出工件厚度為2.5.2超聲波測物位將存于各種容器內的液體表面高度及所在的位置稱為液位，固體顆粒、粉料、塊料的高度或表面所在位置稱為料位，二者統(tǒng)稱為物位。超聲波測物位屬于非接觸連續(xù)測量，安裝方便，不受被測介質影響。在物位儀表中越來越受到重視。如圖示為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過介質到達液面，

19、經液面發(fā)射后又被探頭接收。測量發(fā)射與接收超聲脈沖的時間間隔和介質中的傳播速度，即可求探頭與液面之間的距離。根據傳聲介質和使用探頭數量的不同，可以分為（a）單探頭液介式，（b）單探頭氣介式，（c）單探頭固介式，（d）雙探頭液介式等數種。有時需要知道液面是否升到或降到某個或幾個固定高度，可采用如圖所示的超聲波定點式液位計，實現定點報警或液面控制。圖（a）、（b）為連續(xù)波阻抗式液位計示意圖。由于氣體和液體的聲抗差別很大，當探頭發(fā)射面分別于氣體或液體接觸時，發(fā)射電路中通過的電流也就明顯不同。因此利用一個超聲波探頭，就能通過指示儀表判斷出探頭前是氣體還是液體。圖（c）、（d）為連續(xù)波透射式液位計示意圖。

20、圖中相對安裝的兩個探頭之間有液體時，接收探頭才能接收到透射波。由此可判斷出液面是否達到探頭的高度。2.5.3超聲波測流量超聲流量計的形式有七八種，但在工業(yè)上常用的主要有兩種，一種是傳播時間差式，一種是多普勒式，這兩種流量計都用于液體。基于傳播時間差原理的流量計可用于干凈的液體，對于含有微粒的液體則可采用多普勒反射式流量計，這是因為信號反射正需要微粒物質。1、傳播時間式的超聲流量計聲波在流動著的液體中傳播時，如順流方向傳播，則聲波的速度會增大，當逆流方向傳播時，則聲波的速度會減小，從而有不同的傳播時間。這種流量計正是根據這樣一個基本的物理現象而工作的。通過測量兩種不同的傳播時間，就可以推算管道中

21、流體的流速。在工程實際中，為了更好地估算平均流速和平均體積流量，采用的傳聲通道已多達四個。這種超聲流量傳感器的工作原理如下圖所示，超聲波脈沖由裝在管道上游的電壓式發(fā)射器發(fā)出。這種脈沖以聲速通過液體，由裝載下游的接收器檢測出，實際上，這里上游的發(fā)射器TR1和下游的接收器TR2是輪流交替地被用作發(fā)射器和接收器的，通過一個轉換開關，可以把超聲波的傳播途徑倒過來。2、多普勒式超聲流量計這種流量計是利用流體中的散射體（微粒物質）對聲能的反射原理工作的，即將超聲波射束放射于與同一速度流動的微粒子，并由接收器接收從微粒子反射回來的超聲波信號，通過測量多普勒頻移來求出流速，從而求出體積流量?？梢杂冒l(fā)射器本身，

22、寄同一個換能器作接收器，也可以用另一個單獨的換能器作接收器。因為多普勒超聲流量計是利用頻率來測量流速的，故不易受信號接收波振幅變化的影響，即使是含有大量雜質的流體也能測量，適合測量比較臟污的流體。與超聲波傳輸時間差的測量方式相比，其最大的特點是相對于流速變化的靈敏非常之大。工業(yè)用超聲波流量計是按照一個總體的系統(tǒng)設計的。一次裝置包括兩個或兩個以上的換能器，一種方案是將它們永久地裝在一段短管上；另一種方案是將它們固定在現有的工藝管道上。二次裝置的功能是進行時間或頻率的測量、數據處理、進行雷諾數據校正或其它校正的運算并輸出標準信號。2.5.4超聲波探傷1、透射式透射式探傷是根據超聲波穿透工件后能量的變化狀況來判斷工件內部質量的方法。透射法將兩個探頭分別置于工件相對兩面，一個發(fā)射