第7章超聲波傳感器

一

超聲波及其特性波動(dòng)（簡(jiǎn)稱波）：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播聲波：其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波次聲波：低于16Hz的機(jī)械波超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波第7章超聲波傳感器1圖7-1聲波的頻率界限21波型與速度①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能夠在固體、液體和氣體中傳播。

②橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體中傳播。

③表面波：沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡是橢圓形，長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?

圖7-2超聲波的反射和折射

2.反射與折射

（7-1）4

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)律滿足以下函數(shù)關(guān)系：式中:

、

——聲波在距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；

、

——聲波在聲源處的聲壓和聲強(qiáng)；

——聲波與聲源間的距離；

——衰減系數(shù)。

3.聲波的衰減（7-2）（7-3）5二、超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來(lái)工作的。壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。1.壓電式超聲波傳感器

超聲波穿透性較強(qiáng)，具有一定的方向性，傳輸過(guò)程中衰減較小，反射能力較強(qiáng)，因此得到了廣泛應(yīng)用。6

圖7-3壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)

壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時(shí)引起晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來(lái)。

7（1）發(fā)送電路電路中的G1、G2、R1、R2、RP1和C2構(gòu)成高頻振蕩器，振蕩器振蕩頻率為圖7-4集成門電路超聲波發(fā)送電路

3.超聲波的發(fā)送與接收8（1）發(fā)送電路圖7-5脈沖變壓器超聲波發(fā)送電路9圖中NE555構(gòu)成多諧振蕩器電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。其振蕩頻率近似為圖7-6NE555超聲波發(fā)送電路

10（2）接收電路圖7-7晶體管的超聲波接收電路

圖7-8運(yùn)算放大器超聲波接收電路

111.超聲波探傷三超聲波傳感器應(yīng)用122.超聲波測(cè)流量圖7-9超聲波測(cè)量流量

13當(dāng)A為發(fā)射探頭，B為接收探頭，此時(shí)為順流傳播，超聲波傳播速度為c+vcosθ,于是其傳播時(shí)間t1為（7-4）

當(dāng)B為發(fā)射探頭，A為接收探頭，此時(shí)為逆流傳播，超聲波傳播速度為c-vcosθ,于是其傳播時(shí)間t2為

則時(shí)間差為(7-6)（7-5）14則流體的平均速度為可見(jiàn)，流體速度正比于時(shí)間差，也就是流體的流量正比于時(shí)間差。因此測(cè)出時(shí)間差，就測(cè)出了流量。（7-7）153.超聲波測(cè)量液位（1）定點(diǎn)式液位測(cè)量

16（2）連續(xù)式液位測(cè)量

圖7-10所示為連續(xù)式液位測(cè)量(脈沖回波式測(cè)量液位)的工作原理圖。根據(jù)傳聲方式和使用探頭數(shù)量的不同，可以分為單探頭液介式