超聲波傳感器

1、10.1 10.1 超聲波及其物理性質超聲波及其物理性質10.2 10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器10.3 10.3 應用應用 10.1 10.1 超聲波及其物理性質超聲波及其物理性質波動波動: :振動在彈性介質內的傳播。振動在彈性介質內的傳播。聲波聲波: :頻率在頻率在16-216-210104 4 Hz Hz之間之間, , 能為人耳所聞的機能為人耳所聞的機 械波械波. . 次聲波次聲波: :低于低于16 Hz16 Hz的機械波的機械波. . 超聲波超聲波: :高于高于2 210104 4 Hz Hz的機械波。的機械波。 1.1.次聲次聲波次聲波次聲波是頻率低于是頻率低于1616赫茲的聲波

2、，人耳聽不到，但可赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，與人體器官發(fā)生共振，7-8Hz7-8Hz的次聲波會引起人的恐的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調，甚至導致心臟停止跳動。怖感，動作不協(xié)調，甚至導致心臟停止跳動。2.2.可聞聲波可聞聲波 美妙的音樂可使人陶醉。美妙的音樂可使人陶醉。3.3.超聲波超聲波蝙蝠能發(fā)蝙蝠能發(fā)出和聽見出和聽見超聲波。超聲波。壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。能用于集成電路及塑料的焊接。 超聲波塑料超聲波塑

3、料焊接機焊接機超聲波金絲超聲波金絲焊接機焊接機超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)種介質的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，類似于光波。象，類似于光波。便攜式超聲波便攜式超聲波探魚器探魚器超聲波在醫(yī)學檢查中的應用超聲波在醫(yī)學檢查中的應用 胎兒的胎兒的 B B超影像超影像超聲波清洗器超聲波清洗器超聲換能器超聲換能器氣泡氣泡波浪波浪清洗物清洗物超聲波物理基礎超聲波物理基礎 頻率高于頻率高于20kHz20kHz的機械振動波稱為超聲波。的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本它的指向性很好

4、，能量集中，因此穿透本領大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失領大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質的分界面（例如鋼不大。在遇到兩種介質的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產(chǎn)生明顯的反板與空氣的交界面）時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。場指向性就愈好。 10.1.1 10.1.1 波形及其轉換波形及其轉換 有有: : 縱波縱波質點振動方向與波的傳播方向質點振動方向與波的傳播方向一致一致的波的波; ; 橫波橫波質點振動方向垂直于質點振動方向垂直于傳播方向傳播方向的波的波; ; 表面波表面波質點的振動介于橫波

5、與縱波之間，質點的振動介于橫波與縱波之間， 沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā?縱縱波波橫波橫波 表面波表面波橫波橫波只能在固體中傳播，只能在固體中傳播，縱波縱波能在固體、液體和氣體中傳播能在固體、液體和氣體中傳播, , 表面波表面波隨深度增加衰減很快。隨深度增加衰減很快。 10.1.2 10.1.2 反射和折射反射和折射聲波從一種介質傳播到另一種介質聲波從一種介質傳播到另一種介質, , 在兩個介質的分在兩個介質的分界面上一部分聲波被界面上一部分聲波被反射反射; ; 另一部分透射過界面另一部分透射過界面, , 在另一種介質內部繼續(xù)傳播在另一種介質內部繼續(xù)傳播_ _折射折射。 當波在界面上產(chǎn)生

6、當波在界面上產(chǎn)生反射反射時時, , 入射角入射角的正弦與反射角的正弦與反射角的正弦之比的正弦之比等于波速之比等于波速之比。 波在界面處產(chǎn)生波在界面處產(chǎn)生折射折射時時, , 入射角入射角的正弦與折的正弦與折射角的正弦之比射角的正弦之比, , 等于入射波在第一介質中的等于入射波在第一介質中的波速波速C C1 1與折射波在第二介質中的波速與折射波在第二介質中的波速C C2 2之比之比, , 即即21sinsincca10.1.3 10.1.3 超聲波的衰減超聲波的衰減聲波在介質中傳播時聲波在介質中傳播時, , 隨著傳播距離的增加隨著傳播距離的增加, , 能量能量逐漸衰減逐漸衰減, , 其其聲壓聲壓和

7、和聲強聲強的衰減規(guī)律為的衰減規(guī)律為 P Px x=P=P0 0e e-x-x I Ix x=I=I0 0e e-2x-2x 能量的衰減決定于聲波的擴散、能量的衰減決定于聲波的擴散、 散射和吸收散射和吸收, , 不同超聲波傳感器不同超聲波傳感器工作方式工作方式 c)c)反射式反射式 a）兼用型）兼用型專用型專用型b)直射式直射式各種超聲波傳感器 產(chǎn)品超聲波傳感器結構超聲波傳感器結構10.2 10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器超聲波換能器、超聲波換能器、 探測器或傳感器探測器或傳感器 超聲波探頭超聲波探頭可分為可分為壓電式壓電式、 磁致伸縮式磁致伸縮式、 電磁式電磁式等等. .各種超聲波探頭各種超

8、聲波探頭常用頻率范圍：常用頻率范圍：0.50.510MHz10MHz，常見晶片直徑：常見晶片直徑：5 530mm30mm接觸式直探頭接觸式直探頭（縱波垂直入（縱波垂直入射到被檢介質）射到被檢介質） 外殼用金屬外殼用金屬制作，保護膜用制作，保護膜用硬度很高的耐磨硬度很高的耐磨材料制作，防止材料制作，防止壓電晶片磨損。壓電晶片磨損。 保護膜保護膜接插件接插件接觸式接觸式 直探頭原理直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端超聲脈沖電壓輸入端 接地端接地端接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭）接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭） 壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如3030

9、、4545 等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材料等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材料的被測介質（試件）接觸時，超聲波將產(chǎn)生一定的被測介質（試件）接觸時，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠處去。反射，而傳播到較遠處去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件各種接觸式斜探頭各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：常用頻率范圍：1-5MHz1-5MHz接觸法雙晶直探頭接觸法雙晶直探頭 將兩個單晶探頭組合裝配將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內，其中一片在同一殼體內，其中一片發(fā)射超聲波，另一片接收發(fā)射超聲波，另一片接收超

10、聲波。兩晶片之間用一超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣性能片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結構雖然復雜些，探頭的結構雖然復雜些，但檢測精度比單晶直探頭但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直接收的控制電路較單晶直探頭簡單。探頭簡單。 發(fā)射晶片發(fā)射晶片接收晶片接收晶片各種雙晶直探頭各種雙晶直探頭 焦距范圍：焦距范圍：5-40mm, 5-40mm, 頻率范圍：頻率范圍：2.5-2.5-5MHz5MHz，鋼中折射角：，鋼中折射角：4545 -70-70 接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）接觸法雙晶斜探頭（續(xù)） 水浸探頭

11、水浸探頭 選擇聲透鏡形選擇聲透鏡形狀，可決定聚狀，可決定聚焦形式為點聚焦形式為點聚焦或線聚焦。焦或線聚焦。超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片 將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。電效應，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應，將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓。應，將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓。壓電陶瓷的主要性能指標壓電陶瓷的主要性能指標 1) 1) 介電常數(shù)介電常數(shù) ：1

126000 2) 2) 壓電靈敏度壓電靈敏度D33 D33 ：300-600pC/N300-600pC/N 3) 3) 機械品質因素機械品質因素Q Q：100-2000100-2000 4) 4) 居里溫度：居里溫度：300-400300-400 C C 5 5）靜電容：）靜電容：1000 - 100000pF1000 - 100000pF（與面積有關）（與面積有關） 6 6）頻率范圍：）頻率范圍： 用于超聲清洗：用于超聲清洗：30-100KHz30-100KHz 用于探傷儀及流量計：用于探傷儀及流量計：2.5-5MHz2.5-5MHz 用于霧化器：用于霧化器：1-2M

13、Hz1-2MHz空氣超聲探頭（續(xù)）空氣超聲探頭（續(xù)） 空氣超聲探頭外形空氣超聲探頭外形空氣超聲探頭外形（續(xù)）空氣超聲探頭外形（續(xù)）空氣傳導超聲波電脈沖發(fā)生器空氣傳導超聲波電脈沖發(fā)生器超聲波探頭超聲波探頭, ,主要由主要由壓電晶片、壓電晶片、 吸收塊（阻尼塊）吸收塊（阻尼塊）、 保護膜組成。保護膜組成。超聲波頻率超聲波頻率f f與其厚度與其厚度成反比成反比。10.3 10.3 應用應用 10.3.1 10.3.1 物位傳感器物位傳感器利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的成的。 從發(fā)射超聲脈沖開始從發(fā)射超聲脈沖開始, , 到接收換能器接收到反

14、射波到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知為止的這個時間間隔為已知, , 可以求出分界面的位可以求出分界面的位置置, , 這種方法可以對物位進行測量。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根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能, , 分為分為單換能器和單換能器和雙換能器雙換能器。 單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的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個換能器換能器, , 雙換能器雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。任。 對于單換能器來說對于單換能器來說, , 超聲波從發(fā)射到液面超聲波從發(fā)射到液面, , 又從液又從液面反射到

15、換能器的時間為面反射到換能器的時間為 vht22vth對于雙換能器來說對于雙換能器來說, , 超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為路程為2s, 2s, 而而 s = 液位高度為液位高度為 h = （s2-a2）1/2 只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時間只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時間, , 便便可以求得待測的物位可以求得待測的物位。 2vt 10.3.2 10.3.2 流量傳感器流量傳感器超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器: :如如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應法、流傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應法、流動聽聲法動聽聲法等。等。 超聲波在流體中傳

16、輸時超聲波在流體中傳輸時, 在靜止流體和流動流體在靜止流體和流動流體中的傳輸速度是不同的中的傳輸速度是不同的, , 利用這一特點可以求利用這一特點可以求出流體的速度出流體的速度, , 再根據(jù)管道流體的截面積再根據(jù)管道流體的截面積, , 便便可知道流體的流量?？芍懒黧w的流量。 在流體中設置兩個超聲波傳感器在流體中設置兩個超聲波傳感器, , 它們可以發(fā)它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波射超聲波又可以接收超聲波, , 一個裝在上游一個裝在上游, , 一個裝在下游一個裝在下游, , 其距離為其距離為L L。 如設順流方向的傳輸時間為如設順流方向的傳輸時間為t t1 1, , 逆流方向的傳逆流方向的傳

17、輸時間為輸時間為t t2 2, , 流體靜止時的超聲波傳輸速度為流體靜止時的超聲波傳輸速度為c, c, 流體流動速度為流體流動速度為v, v, 則則 t1 = t2 = 流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳播速度流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳播速度, , 超聲波傳播超聲波傳播時間差時間差為為vcLvcL t = t2-t1= 由于由于c v, c v, 從上式便可得到流體的流速從上式便可得到流體的流速, , 即即 v = 222vcLvtLc22 在實際應用中在實際應用中, , 超聲波傳感器安裝在管道的外超聲波傳感器安裝在管道的外部部, , 從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波從管道的外面透

18、過管壁發(fā)射和接收超聲波不會給管路內流動的流體帶來影響。不會給管路內流動的流體帶來影響。超聲波測厚超聲波測厚 超聲波測密度原理示意圖超聲波測密度原理示意圖 超聲防盜報警器電原理框圖超聲防盜報警器電原理框圖穿透法探傷結構圖穿透法探傷結構圖 反射法探傷結構圖反射法探傷結構圖 表面波探傷表面波探傷 超聲波診斷儀原理框圖超聲波診斷儀原理框圖 (1)(1)可不影響流體流動來測量流速?？刹挥绊懥黧w流動來測量流速。 (2)(2)只要是能傳播超聲波的流體，都能夠測量，只要是能傳播超聲波的流體，都能夠測量，它可測量高粘度流體，非電導流體和氣體等流它可測量高粘度流體，非電導流體和氣體等流速。速。 (3)(3)應用范

19、圍廣，例如可測血液流速，可測河流應用范圍廣，例如可測血液流速，可測河流等流速。等流速。 (4)(4)對超聲波能透過的流管，還可以進行管外測對超聲波能透過的流管，還可以進行管外測管內流體的流速管內流體的流速. .超聲波流量傳感器的特點超聲波流量傳感器的特點: :超聲波探頭結構超聲波探頭結構 動畫演示動畫演示各種超聲波測厚傳感器 超聲波測流量 超聲波頻譜分析 超聲波探傷傳感器 醫(yī)學超聲波檢測 超聲波測液位 其它應用其它應用 當超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側時，這當超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側時，這種類型稱為種類型稱為透射型透射型； 透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關等。透射型可

20、用于遙控器、防盜報警器、接近開關等。 超聲發(fā)射器與接收器置于同側的屬于超聲發(fā)射器與接收器置于同側的屬于反射型反射型； 反射型可用于接近開關、測距、測液位或物位、金反射型可用于接近開關、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。屬探傷以及測厚等。 超聲波傳感器應用舉例超聲波傳感器應用舉例 超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應用舉例（續(xù)） 超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）質量檢查質量檢查緊固件的安裝錯誤檢測緊固件的安裝錯誤檢測疊放高度測量疊放高度測量超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）物件放置錯誤檢測物件放置

21、錯誤檢測超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制透明塑料張力控制機械手定位機械手定位超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）紙卷直徑檢測紙卷直徑檢測超聲波傳感器超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）應用舉例（續(xù)）平整度測量平整度測量超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）超長距離檢測超長距離檢測超聲波傳感器超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）應用舉例（續(xù)）流水線計數(shù)流水線計數(shù)超聲波傳感器超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）應用舉例（續(xù)）一、超聲波流量計一、超聲波流量計 F F1 1發(fā)射的超聲波先到達發(fā)射的超聲波先到達 T T1 1F1發(fā)射的超聲波到達發(fā)射的超聲波到達 F2的

22、時間較短的時間較短 發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側同側式超聲波流量計的使用同側式超聲波流量計的使用 超聲波流量計現(xiàn)場使用超聲波流量計現(xiàn)場使用超聲波多普勒測量車速超聲波多普勒測量車速手持式超聲波測厚儀手持式超聲波測厚儀超聲波測厚超聲波測厚石料測厚石料測厚超聲波手持式測厚超聲波手持式測厚混凝土測厚混凝土測厚木材測厚木材測厚小提琴小提琴 木料測厚木料測厚雙晶超聲波測厚探頭雙晶超聲波測厚探頭雙晶超聲波測厚探頭（續(xù)）雙晶超聲波測厚探頭（續(xù)）超聲波測量液位和物位超聲波測量液位和物位 喇叭形喇叭形 超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器無損探傷無損探傷 無損探傷的基本概念無損探傷的基本概念 人們在使用各種材料人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長（尤其是金屬材料）的長期實踐中，觀察到大量的期實踐中，觀