第11章波式和射線式傳感器

1、傳感器課程電子教案 南華大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器教研室南華大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器教研室第十一章第十一章 波式和射線式傳感器波式和射線式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 超聲波式傳感器超聲波式傳感器一、超聲波及其物理性質(zhì)一、超聲波及其物理性質(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202104Hz之間的機(jī)械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波；高于2104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波。 超聲波的特性超聲波的特性 超聲波在液體、固體中衰減很小，超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)穿透能力強(qiáng)，特別是對(duì)不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚特別是對(duì)不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。度。

2、超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在介超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射反射、折射和和波型轉(zhuǎn)換波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。等現(xiàn)象。 這些特性使它在檢測(cè)技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用：這些特性使它在檢測(cè)技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用：如如超聲波無(wú)損探傷超聲波無(wú)損探傷、厚度測(cè)量厚度測(cè)量、流速測(cè)量流速測(cè)量、超聲顯超聲顯微鏡微鏡及及超聲成像超聲成像等。等。 1.超聲波的波型超聲波的波型 由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)由于聲源在介質(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。中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，稱為縱波。（可在固體、液體

3、和氣體中傳播）質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。（在固體中傳播）質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。（在固體的表面?zhèn)鞑ィ﹍傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度。氣體中的聲速為340m/s、液體中聲速在9001900m/s。l在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90%。 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)，在分界面上將發(fā)生反射和折射。l (1)反射定律反射定律 入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波

4、的波型相同、波速相等時(shí)，入射角等于反射角。l (2)折射定律折射定律 入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波中介質(zhì)的波速c1與折射波中介質(zhì)的波速c2之比，即21sinsincc /sinsincc3.聲波的衰減聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律如加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律如下：下：l Px，lx平面波在平面波在x處的聲壓和聲強(qiáng)；處的聲壓和聲強(qiáng)；l P0，l0平面波在平面波在x=0處的聲壓和聲強(qiáng)；處的聲壓和聲強(qiáng)；l 衰減系數(shù)。衰減系數(shù)。0 xxpp e 20 xxII e 二、超聲波傳感器的

5、應(yīng)用二、超聲波傳感器的應(yīng)用 1.超聲波傳感器超聲波傳感器 為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲為了以超聲波作為檢測(cè)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波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲超聲波傳感器波傳感器，習(xí)慣上稱為，習(xí)慣上稱為超聲波換能器超聲波換能器，或，或超聲波超聲波探頭探頭。 超聲波探頭常用的材料是超聲波探頭常用的材料是壓電晶體壓電晶體和和壓壓電陶瓷電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。 發(fā)射探頭是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)發(fā)射探頭是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)來(lái)工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成來(lái)工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電信

6、號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波產(chǎn)生超聲波。 接收探頭利用正壓電效應(yīng)，則將接收探頭利用正壓電效應(yīng)，則將接收的接收的超聲波超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波探頭的具體結(jié)構(gòu)如圖 超聲波探頭結(jié)構(gòu) a)發(fā)射探頭 b)接收探頭 1導(dǎo)線 2壓電晶片 1導(dǎo)線 2彈簧 3音膜 4錐形罩 3壓電晶片 4錐形罩2.超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)厚 超聲波測(cè)量金屬零件的厚度，具有測(cè)量精度超聲波測(cè)量金屬零件的厚度，具有測(cè)量精度高，測(cè)試儀器輕便，操作安全簡(jiǎn)單，易于讀數(shù)及高，測(cè)試儀器輕便，操作安全簡(jiǎn)單，易于讀數(shù)及實(shí)行連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)行連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。 超聲波測(cè)厚常用超聲波測(cè)厚常用脈沖回波法

7、脈沖回波法。脈沖回波法檢。脈沖回波法檢測(cè)厚度的工作原理如圖測(cè)厚度的工作原理如圖 超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸。發(fā)射探頭產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖，脈沖波傳到被測(cè)工件另一面反射回來(lái)，被同一探頭接收。 如果超聲波在試件中的聲速如果超聲波在試件中的聲速v是已知的，是已知的，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔T可以測(cè)量，可以測(cè)量，那么可求出試件厚度那么可求出試件厚度為為 2vT 3、 超聲波液（物）位傳感器超聲波液（物）位傳感器 從探頭發(fā)出超聲波脈沖通過(guò)介質(zhì)到達(dá)液面，經(jīng)過(guò)反射后又被探頭接收。測(cè)量發(fā)射與接收超聲波脈沖的時(shí)間間隔和聲波在介質(zhì)中的傳播速度，可求出探頭與液面之間的距離，實(shí)現(xiàn)液位

8、（物位）的測(cè)量。 對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō), 超聲波從發(fā)射到液面, 又從液面反射到換能器的時(shí)間為vht22vth 對(duì)于雙換能器來(lái)說(shuō), 超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過(guò)的路程為2s, 那么 s = 因此液位高度為： h = （s2-a2）1/22vt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（發(fā)射探頭和接收探頭在一起）和雙換能器（發(fā)射探頭和接收探頭分開(kāi)）。故 4、 超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器超聲波傳輸時(shí)間差法測(cè)流量原理：原理： 超聲波在流體中傳輸時(shí), 在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的, 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。 如果在流體中設(shè)置兩個(gè)

9、超聲波傳感器（復(fù)合探頭復(fù)合探頭）, 一個(gè)裝在上游, 一個(gè)裝在下游, 其距離為L(zhǎng)。如設(shè)順流方向的傳輸時(shí)間為t1, 逆流方向的傳輸時(shí)間為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。 順流： t1= 逆流： t2 = 超聲波傳播時(shí)間差為 t=t2t1=vcLvcL222vcLv流體的流速為tLc22v =根據(jù)（CV） C2V25、超聲波探傷脈沖反射法超聲波發(fā)射到被測(cè)試件后，傳播到界面上，產(chǎn)生反射，反射波顯示在示波器屏幕上。脈沖發(fā)生器接收放大器缺欠探頭工件 當(dāng)試件有缺欠時(shí)，聲波衰減很大，甚至消失，由此判斷有無(wú)缺欠及缺欠的嚴(yán)重程度?；趩纹瑱C(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) l 在日常生產(chǎn)生

10、活中，很多場(chǎng)合如汽車倒車、機(jī)器人避障、工業(yè)測(cè)井、水庫(kù)液位測(cè)量等需要自動(dòng)進(jìn)行非接觸測(cè)距非接觸測(cè)距。l 超聲波是指頻率大于20 kHz，在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機(jī)械震蕩波，其具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，因此常被用于非接觸測(cè)距。 l 由于超聲波對(duì)光線、色彩和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲波測(cè)距對(duì)環(huán)境有較好的適應(yīng)能力。l 本設(shè)計(jì)以一對(duì)40 kHz壓電超聲波傳感器T40、R40設(shè)計(jì)一款體積較小、價(jià)格低廉、精度較高、具有溫度補(bǔ)償、實(shí)時(shí)LCD顯示和報(bào)警的超聲波測(cè)距儀。 設(shè)計(jì)要點(diǎn)： 1.在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換

11、能器與接收換能器其外形結(jié)構(gòu)相似，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。（T or R？） 2.在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，按下式對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。 v=331.4+0.607T 式中，T為實(shí)際溫度，單位為，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，單位為ms。 超聲波測(cè)距原理s=vt/2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案測(cè)量過(guò)程 整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)AT89S52控制，超聲波傳感器采用收發(fā)分體式，分別是一支超聲波發(fā)射換能器TCT4016T和一支超聲波接收換能器TCT4016R。 超聲波信號(hào)通過(guò)超聲波發(fā)射換能器發(fā)射至空氣中，遇被測(cè)物反射后回波被超聲波接收換能器接收。 進(jìn)行相關(guān)處理后，輸入

12、單片機(jī)的INT0腳產(chǎn)生中斷，計(jì)算中間經(jīng)歷的時(shí)間，同時(shí)再根據(jù)具體的溫度計(jì)算相應(yīng)的聲速。 然后根據(jù)式s=vt2就可計(jì)算出相應(yīng)的距離并顯示，當(dāng)然也可根據(jù)需要，設(shè)置距離報(bào)警值。 硬件設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射部分 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT4016T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。 編程由單片機(jī)P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT4016T以聲波形式發(fā)射到空氣中。超聲波接收部分 超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT4016R進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理。 這里用集成芯片CX20106，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的P3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。接收部分的電路，如圖3所示。 溫度測(cè)量電路 為了提高系統(tǒng)的精度，采用了