超聲波傳感器原理講述.教學(xué)內(nèi)容

1、10.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì)(wl xngzh)10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器10.3 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器返回(fnhu)主目錄第一頁(yè)，共21頁(yè)。第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器 10.1 超聲波(shn b)及其物理性質(zhì) 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng), 簡(jiǎn)稱波。頻率在162104 Hz之間, 能為人耳所聞的機(jī)械波, 稱為聲波(shn b); 低于16 Hz的機(jī)械波, 稱為次聲波(shn b); 高于2104 Hz的機(jī)械波, 稱為超聲波(shn b)。 如圖10 - 1。 當(dāng)超聲波(shn b)由一種介質(zhì)入射

2、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)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。 第二頁(yè)，共21頁(yè)。第三頁(yè)，共21頁(yè)。 一、 超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換 由于聲源(shn yun)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(dòng)方向與波的傳播方向一致的波; 橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波; 表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間， 沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā?橫波只能在固體中傳播，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(cè)量各種狀態(tài)下的物理量, 應(yīng)多采用縱波。 縱波、 橫波及其表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度, 氣體

3、中聲速為344 m/s, 液體中聲速在9001900 m/s。 第四頁(yè)，共21頁(yè)。 當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí), 除有縱波的反射、 折射外, 還發(fā)生橫波的反射和折射, 在某種情況下, 還能產(chǎn)生表面波。 二、 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(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射， 另一部分透射過(guò)界面, 在另一種介質(zhì)內(nèi)部(nib)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10 - 2所示。 第五頁(yè)，共21頁(yè)。第六頁(yè)，共21頁(yè)。 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

4、的正弦與折射角的正弦之比, 等于入射波在第一(dy)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 21sinsincca 三、 超聲波的衰減(shui jin) 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí), 隨著傳播距離的增加, 能量逐漸衰減(shui jin), 其衰減(shui jin)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(shui jin)規(guī)律為 Px= P0e-x （10 - 2） Ix= I0e-2x （10 - 3）第七頁(yè)，共21頁(yè)。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/m（奈培/米）。 聲波在介質(zhì)(jizh)中傳播

5、時(shí), 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)(jizh)中,聲波的衰減僅來(lái)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。散射衰減是固體介質(zhì)(jizh)中的顆粒界面或流體介質(zhì)(jizh)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)(jizh)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的, 介質(zhì)(jizh)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。 第八頁(yè)，共21頁(yè)。10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、 探測(cè)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, 而以壓電式最為常用。 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓

6、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(lái)工作的: 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(cng r)產(chǎn)生超聲波, 可作為發(fā)射探頭; 而利用正壓電效應(yīng), 將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 可用為接收探頭。 第九頁(yè)，共21頁(yè)。 超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖10 - 3所示, 主要由壓電晶片、 吸收塊（阻尼(zn)塊）、 保護(hù)膜組成。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(zn)塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì), 吸收聲能量。如果沒(méi)有阻尼(zn)塊, 當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí), 晶片將會(huì)繼續(xù)振蕩, 加

7、長(zhǎng)超聲波的脈沖寬度, 使分辨率變差。 第十頁(yè)，共21頁(yè)。第十一頁(yè)，共21頁(yè)。10.3 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用(yngyng) 一、 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(jimin)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(gè)時(shí)間間隔為已知, 就可以求出分界面(jimin)的位置, 利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)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(gè)換能器, 而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。 第十二頁(yè)，共21頁(yè)。 圖10 -

8、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(fsh)和接收換能器可設(shè)置水中, 讓超聲波在液體中傳播。 由于超聲波在液體中衰減比較小, 所以即使發(fā)生的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射(fsh)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, 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。 對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō), 超聲波從發(fā)射(fsh)到液面, 又從液面反射到換能器的時(shí)間為 vht22vth第十三頁(yè)，共21頁(yè)。第十四頁(yè)，共21頁(yè)。式中: h換能器距液面的距離; v超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。 對(duì)于雙換能器來(lái)說(shuō), 超聲波從發(fā)射到被接收(jishu)經(jīng)過(guò)的路程為2s,

9、 而 s = （10 - 6）因此液位高度為 h = （s2-a2）1/2 （10 - 7）式中: s超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離; a兩換能器間距之半。2vt第十五頁(yè)，共21頁(yè)。 從以上公式中可以看出, 只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間, 便可以求得待測(cè)的物位。 超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn), 但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)有較大的誤差。在一般使用條件下, 它的測(cè)量誤差為0.1%, 檢測(cè)物位的范圍為10-2104 m。 二、 超聲波流量傳感器 超聲波流量傳感器的測(cè)定原理是多樣的, 如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波

10、傳輸(chun sh)時(shí)間差法。 超聲波在流體中傳輸(chun sh)時(shí), 在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸(chun sh)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。 第十六頁(yè)，共21頁(yè)。 如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器, 它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波, 一個(gè)裝在上游, 一個(gè)裝在下游, 其距離為L(zhǎng)。如圖10 - 5所示。如設(shè)順流方向的傳輸時(shí)間(shjin)為t1, 逆流方向的傳輸時(shí)間(shjin)為t2, 流體靜止時(shí)的超聲波傳輸速度為c, 流體流動(dòng)速度為v, 則 t1 = （10 - 8） t2 = （10 - 9） 一般來(lái)說(shuō), 流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度, 那么超聲波傳播時(shí)間(shjin)差為vcLvcL第十七頁(yè)，共21頁(yè)。第十八頁(yè)，共21頁(yè)。 t=t2-t1= （10 - 10）由于cv, 從上式便可得到流體(lit)的流速, 即 v = （10 - 11） 在實(shí)際應(yīng)用中, 超聲波傳感器安裝在管道的外部, 從管道的外面透過(guò)管壁發(fā)射和接收超聲波不會(huì)給管路內(nèi)流動(dòng)的流體(lit)帶來(lái)影響, 如圖10 - 6所示。 222vcLvtLc22第十九頁(yè)