第10章 傳感器原理及工程應(yīng)用_超聲波傳感器

1、第10章 超聲波傳感器 第10章 超聲波傳感器 10.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì)10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器10.3 超聲波傳感器應(yīng)用超聲波傳感器應(yīng)用 第10章 超聲波傳感器 10.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì) 10.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì) 振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，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16 Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2104 Hz的機(jī)械波，稱為超聲波, 如圖10-1所示。頻率在310831011 Hz之間的波，稱為微波。 第10章 超聲波傳感器 圖10-1 聲波的頻率界限圖 當(dāng)

2、超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。 101102103104105106107f / Hz微波探測超聲波語言音樂聲波次聲波0.2510620106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，聲波的波型也不同。通常有： 縱波：質(zhì)點(diǎn)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； 橫波：質(zhì)點(diǎn)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； 表面波：質(zhì)點(diǎn)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

3、加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?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，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為 nBc1式中：介質(zhì)的密度； Ba絕對壓縮系數(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范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化化 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范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化化 第10

4、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時達(dá)到最大值，大于74后， 聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強(qiáng)也會引起聲速的變化。 在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系， 通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面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9001900m/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)， 在兩個介質(zhì)的分界面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)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射

5、和折射，如圖10-2所示。 第10章 超聲波傳感器 圖10-2 超聲波的反射和折射o介質(zhì)1介質(zhì)2折射波反射波入射波第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，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，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 21sinsincc（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: 211220coscosccIIRr(10-3) 第10章 超聲波傳感器 22211222110)cos(cos4ccccIITt(10-4) 式中：I0, Ir, It

6、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，則 222112211211221122)(411ccccTccccR(10-6) (10-5) 第10章 超聲波傳感器 由式（10-5）和式（10-6）可知，若2c21c1，則反射系數(shù)R0，透射系數(shù)T1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)；若2c21c1, 反射系數(shù)R1，則聲波在界面上幾乎全反射，透射極少。同理，當(dāng)1c1 2c2時，反射系數(shù)R1，聲波在界面上幾乎全反射。如：

7、在20水溫時，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， 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，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(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為 axxaxxeIIePP200（10-7） （10-8） 式中：Px、Ix距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)； x聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。 第10章 超聲波傳感器

8、聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)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擴(kuò)散， 即隨聲波傳播距離增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，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，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、 介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，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

9、制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。 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(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)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(yīng)是將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。 第10章 超聲波傳感器 超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖10-3所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(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

10、的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)， 吸收聲能量。 如果沒有阻尼塊，當(dāng)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。 第10章 超聲波傳感器 圖10-3 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 金屬殼吸收塊保護(hù)膜接線片壓電晶片導(dǎo)電螺桿第10章 超聲波傳感器 10.3 超聲波傳感器應(yīng)用超聲波傳感器應(yīng)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(jìn)行測量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分

11、為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔(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結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播，如圖10-4（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10-4（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。 第10章 超聲波傳感器 圖10-4 幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖 (a) 超

12、聲波在液體中傳播； (b) 超聲波在空氣中傳播hh2a2ahhss(a)(b)第10章 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 22cthcht則 （10-9） （10-10） 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。 第10章 超聲波傳感器 對于如圖10-4所示雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2s，而 2cts （10-11） 因此液位高度為 22ash（10-12） 式中：s超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離； 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，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，便

13、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(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下， 它的測量誤差為0.1%，檢測物位的范圍為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定方法是多樣的， 如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。 超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動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)管道流體的截面積， 便可知道流體的流量。 第10章 超聲波傳感器 如果在流體中設(shè)置兩個超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L, 如圖10-5所示。如設(shè)順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，流體靜止時的超聲波傳播速度為c，流體流動速度為v，則 vcLtvcLt21（10-13） （10-14） 第10章 超聲波傳感器 圖10-5 超聲波測流量原理圖第10章 超聲波傳感器 一般來說，流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度， 因此超聲波傳播時間差為 22122vcLvttt（10-15） 由于cv, 從上式便可得到流體的流速， 即 tLcv22（10-16） 第10章 超聲波傳感器 圖10-6 超聲