傳感器課程超聲波傳感器及應用.

1、超聲波傳感器及應用 2022-4-281引言超聲波技術是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎的，各行各業(yè)都使用的通用技術之一。它是通過超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收這個物理過程來完成的。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強，特別是對不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當超聲波從一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中的傳播速度不同，在介質面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉換等現(xiàn)象。超聲波的這些特性使它在檢測技術中獲得了廣泛的應用，如超聲波無損探傷、厚度測量、流速測量、超聲顯微鏡及超聲成像等。2022-4-282主要內容一、超聲波及其物理性質 二、超聲波探頭及耦合技術 三、超聲波傳感器的應用 2

2、022-4-283一、超聲波及其物理性質1超聲波的概念和波形機械振動在彈性介質內的傳播稱為波動，簡稱為波。人能聽見聲音的頻率為20Hz20kHz，即為聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為次聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強 2022-4-284超聲波超聲波的基本概念的基本概念 聲波頻率的界限劃分2022-4-285聲波的分類1.1次聲波2022-4-286 次聲波是頻率低于次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，但可與人體器

3、官發(fā)生共振，78Hz的次聲波會引起人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。的恐怖感，動作不協(xié)調，甚至導致心臟停止跳動。1.2.可聞聲波2022-4-287 美妙的音樂可使人陶醉。美妙的音樂可使人陶醉。1.3.超聲波2022-4-288 蝙蝠蝙蝠能發(fā)出和能發(fā)出和聽見超聲聽見超聲波。波。 超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點。2022-4-289超聲波霧化器超聲波霧化器超聲波加濕器超聲波加濕器聲波的波型 （1）縱波質點振動方向與波的傳播方向一致的波。（2）橫波質點振動方向垂直于傳播方向的波。（3）表面波質點的振動介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能

4、在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播，表面波隨深度增加衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量，多采用縱波。 2022-4-2810縱波2022-4-2811橫波 2022-4-2812表面波2022-4-28132.聲速、波長與指向性 （1）聲速縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于介質的彈性系數(shù)、介質的密度以及聲阻抗 。介質的聲阻抗Z等于介質的密度和聲速c的乘積，即Z=c 2022-4-2814常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環(huán)境溫度為0） 材 料密度(103kgm-1)聲阻抗Z（103MPas -1）縱波聲速cL（km/ s）橫波聲速cs（km/s）鋼7.8465.93.23鋁2.7176

5、.323.08銅8.9424.72.05有機玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92水（20）1.01.481.48油0.91.281.4空氣0.00130.00040.342022-4-2815（2）波長超聲波的波長與頻率f乘積恒等于聲速c，即 f =c 2022-4-2816（3）指向性超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴散。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強，且隨著擴散角度的增大而減小。 2022-4-28171 1超聲源超聲源 2 2軸線軸線 3 3指向角指向角 4 4等強度線等強度線3.超聲波的反射和折射 超聲波從一種介質傳播到另一介質，在兩個介質的分

6、界面上一部分能量被反射回原介質，叫做反射波，另一部分透射過界面，在另一種介質內部繼續(xù)傳播，則叫做折射波。這樣的兩種情況分別稱之為聲波的反射和折射， 2022-4-2818波的反射和折射 2022-4-2819（1）反射定律入射角 的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。當入射波和反射波的波型相同、波速相等時，入射角 等于反射角。（2）折射定律入射角 的正弦與折射角的正弦之比等于超聲波在入射波所處介質的波速c1與在折射波中介質的波速c2之比，即sin / sin = c1 / c2 2022-4-28204.超聲波的衰減 超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與超聲波

7、的擴散、散射及吸收等因素有關。 超聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收，在理想介質中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質中的顆粒界面或流體介質中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質的導熱性、粘滯性及彈性滯后造成的，介質吸收聲能并轉換為熱能。 2022-4-2821二、超聲波探頭及耦合技術為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質中傳到其介面經(jīng)過反射后，再返回到接收探頭，這就是超聲波測距原理。2022

8、-4-28221 超聲波探頭 工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁式 其結構不同，超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等， 2022-4-2823各種超聲波探頭 （以下參考常州市常超檢測設備有限公司資料）2022-4-2824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（縱波垂直入射（縱波垂直入射到被檢介質）到被檢介質） 外殼用金屬制外殼用金屬制作，保護膜用硬度作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片作，防止

9、壓電晶片磨損。磨損。 保護膜保護膜接插件接插件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，利用逆壓電效應，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(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。2022-4-28251.1.單晶直探頭 用于固體介質的單晶直探頭（俗稱直探頭），壓電晶片采用PZT壓電陶瓷材料制作，外殼用金屬制作，保護膜用于防止壓電晶片磨損。保護膜可以用三氧化二鋁（鋼玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收塊用于吸收壓電晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜亂反射波產(chǎn)生，提高分辨力。阻尼吸收塊用鎢粉、環(huán)氧樹脂等澆注。202

10、2-4-2826 超聲波探頭結構示意 2022-4-28271 1接插件接插件 2 2外殼外殼 3 3阻尼吸收塊阻尼吸收塊 4 4引線引線 5 5壓電晶體壓電晶體 6 6保護膜保護膜7 7隔離層隔離層 8 8延遲塊延遲塊 9 9有機玻璃斜楔塊有機玻璃斜楔塊 1010試件試件 1111耦合劑耦合劑1.2.雙晶直探頭 由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內。其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。略有傾斜的晶片下方還設置延遲塊，它用有機玻璃或環(huán)氧樹脂制作，能使超聲波延遲一段時間后才入射到試件中，可減小試件接

11、近表面處的盲區(qū)，提高分辨能力。雙晶探頭的結構雖然復雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲波信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。 2022-4-2828各種雙晶直探頭 焦距范圍：540mm, 頻率范圍：2.55MHz，鋼中折射角：45 70 2022-4-28291.3.斜探頭 壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機玻璃斜楔塊上，壓電晶片的上方用吸聲性強的阻尼吸收塊覆蓋。當斜楔塊與不同材料的被測介質（試件）接觸時，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計算求得。 2022-4-2830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

12、角度（如30、45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。2022-4-2831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常用頻率范圍：15MHz2022-4-2832接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）2022-4-28331.4.聚焦探頭 分辨試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭，是一種很有發(fā)展前途的新型探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聲波，也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡，還可利用類似光學反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。如果將雙晶直探頭的延遲塊按上述方法加工，

13、也可具有聚焦功能。 2022-4-28341.5.箔式探頭 利用壓電材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探頭稱為箔式探頭，可以獲得0.2mm直徑的超細聲束，用在醫(yī)用CT診斷儀器上可以獲得很高清晰度的圖像。2022-4-28351.6.空氣傳導型探頭 超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一般是分開設置的，兩者結構也略有不同， 發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器在共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲，提高接收效率?？諝鈧鲗У某暟l(fā)射器和接收器的有效工作范圍可達幾米至幾十米。2022-4-2836空氣傳導型超聲發(fā)生、接收器結構示意圖 2022-4

14、-28371 1外殼外殼 2 2金屬絲網(wǎng)罩金屬絲網(wǎng)罩 3 3錐形共振盤錐形共振盤 4 4壓電晶體片壓電晶體片5 5引腳引腳 6 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7 7超聲波束超聲波束空氣超聲探頭（續(xù)） 2022-4-2838空氣超聲探頭外形2022-4-2839空氣超聲探頭外形（續(xù)）2022-4-28402 超聲波探頭耦合劑 一般不能直接將其放在被測介質（特別是粗糙金屬）表面來回移動，以防磨損。 空氣的密度很小，將引起3個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也將對超聲波造成很大的衰減。 常用的耦合劑有水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。耦合劑的厚度應盡量薄一些，以減小耦合損耗。2022-4

15、-2841耦合劑 超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。 2022-4-2842三、超聲波傳感器的應用超聲波測厚常用脈沖回波法。 超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵壓電式探頭，以產(chǎn)生重復的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測工件另一面被反射回來

16、，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速是已知的，設工件厚度為，脈沖波從發(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=t/2 2022-4-28431 1超聲波測厚超聲波測厚 脈沖回波法測厚工作原理 2022-4-2844從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求出時間間隔從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求出時間間隔t t。當然也可用穩(wěn)頻晶振產(chǎn)生的時間標準信號來測量時間間隔當然也可用穩(wěn)頻晶振產(chǎn)生的時間標準信號來測量時間間隔t t，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。 2.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

17、從發(fā)射超聲波脈沖開始，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。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。 2022-4-2845幾種超聲物位傳感器的結構示意圖 2022-4-2846結論只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時間，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，便會有較大的誤差。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102104

18、m。 2022-4-28473.超聲波流量傳感器 測定原理是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多勒效應法等，但目前應用較廣的主要是超聲波傳輸時間差法。超聲波在流體中傳輸時，在靜止流體和流動流體中的傳輸速度是不同的，利用這一特點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。 2022-4-2848實際應用 超聲波傳感器安裝在管道的外部，從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收，超聲波不會給管內流動的流體帶來影響 2022-4-2849超聲波測量原理圖 2022-4-2850超聲波傳感器安裝位置圖 2022-4-2851特點超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可測流體種類很多，不

19、論是非導電的流體。還是高黏度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進行測量。還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測量。2022-4-28524.汽車倒車探測器 （倒車雷達）選用封閉型的發(fā)射超聲波傳感器MA40EIS和接收超聲波傳感器MA40EIR安裝在汽車尾部的側角處，按如圖9-10所示電路裝配即可構成一個汽車倒車尾部防撞探測器。分為超聲發(fā)射電路、超聲接收電路和信號處理電路。2022-4-2853汽車倒車尾部防撞探測器原理圖 （1）超聲發(fā)射電路超聲發(fā)射電路由時基電路555組成，555振蕩電路的頻率可以調整，調節(jié)電位器RPl可將接收超聲波傳感器的輸出電壓頻率調至最大，通?？烧{至40kHz。 2022-4-2855（2）超聲波接收電路超聲波接收電路使用超聲波接收傳感器MA40EIR，MA40EIR的輸出由集成比較器LM393進行處理。LM393輸出的是比較規(guī)范的方波信號。 2022-4-2856（3）信號處理電路信號處理電路用集成電路LM2901N，它原是測量轉速用的IC，其內部有F/V轉換器和比較器，它的輸入要求有一定頻