超聲波傳感器5812185837

技能訓(xùn)練六超聲波傳感器

人民郵電出版社主編彭學(xué)勤目的要求〔1〕掌握超聲波傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合和應(yīng)用方法，了解它們的工作過(guò)程?！?〕掌握超聲波傳感器的工作原理，了解其結(jié)構(gòu)及分類?！?〕了解超聲波傳感器在工業(yè)和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。汽車倒車?yán)走_(dá)的示意圖圖6-1汽車倒車?yán)走_(dá)的示意圖圖6-2倒車?yán)走_(dá)的實(shí)物圖一、超聲波傳感器的組成超聲波傳感器是指產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器利用壓電晶體的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換，并利用波的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參量的測(cè)量，屬典型的雙向傳感器。因此，超聲波傳感器由發(fā)射傳感器〔簡(jiǎn)稱發(fā)射探頭〕和接收傳感器〔簡(jiǎn)稱接收探頭〕兩局部組成，如圖6-3所示。圖6-3超聲波傳感器的組成圖6-4倒車?yán)走_(dá)中的超聲波傳感器二、超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理1．超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖6-5超聲波傳感器的外形結(jié)構(gòu)探頭類型

單晶直探頭

雙晶直探頭

斜探頭結(jié)構(gòu)工作機(jī)理發(fā)射：電致伸縮效應(yīng)。接收：壓電效應(yīng)發(fā)射：電致伸縮效應(yīng)。接收：壓電效應(yīng)發(fā)射：電致伸縮效應(yīng)。接收：壓電效應(yīng)工作特點(diǎn)

發(fā)射、接收分時(shí)工作，測(cè)量精度低，控制電路復(fù)雜發(fā)射、接收同時(shí)工作，測(cè)量精度高，控制電路簡(jiǎn)單發(fā)射、接收同時(shí)工作，測(cè)量精度高，控制電路簡(jiǎn)單2．超聲波傳感器的工作原理〔1〕超聲波聲波是一種機(jī)械波。當(dāng)發(fā)聲體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)時(shí)，周圍彈性介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)隨之振動(dòng)，這種振動(dòng)由近至遠(yuǎn)進(jìn)行傳播，就是聲波。人能聽(tīng)見(jiàn)聲波的頻率為20Hz～20kHz，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲波稱為次聲波，20kHz以上的為超聲波，超聲波的頻率可以高達(dá)1011Hz，而次聲波的頻率可以低達(dá)l0－8Hz。聲波頻率范圍如圖6-6所示。圖6-6聲波頻率范圍〔2〕超聲波的根本特性①超聲波的波形。聲源在介質(zhì)中施力的方向與波在介質(zhì)中傳播的方向不同，聲波的波形那么不同。依據(jù)超聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)與聲能量傳播方向的不同，超聲波的波形一般分為三種?？v波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播。外表波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，外表波沿著介質(zhì)外表傳播，其振幅隨深度的增加而迅速衰減，外表波只在固體的外表傳播。②波速。超聲波在不同的介質(zhì)中〔氣體、液體、固體〕的傳播速度是不同的，傳播速度與介質(zhì)密度和彈性系數(shù)以及聲阻抗有關(guān)。不同波形超聲波的傳播速度也不相同：在固體中，縱波、橫涉及其外表波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波的聲速為縱波的一半，外表波的聲速為橫波聲速的90%；氣體中的縱波聲速為344m/s，液體中的縱波聲速為900~1900m/s。③超聲波的反射和折射。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上將發(fā)生反射和折射，如圖6-7所示。其中，能返回原介質(zhì)的稱為反射波；透過(guò)介質(zhì)外表，能在另一種介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播的稱為折射波。在某種情況下，超聲波還能產(chǎn)生外表波。各種波型都符合反射和折射定律。④超聲波的衰減。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸衰減，衰減的程度與超聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)?！?〕超聲波傳感器的工作原理當(dāng)從超聲波發(fā)射探頭輸入頻率為40kHz的脈沖電信號(hào)時(shí)，壓電晶體因變形而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率在20kHz以上，由此形成了超聲波，該超聲波經(jīng)錐形共振盤(pán)共振放大后定向發(fā)射出去；接收探頭接收到發(fā)射的超聲波信號(hào)后，促使壓電晶片變形而產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)放大器放大電信號(hào)。三、超聲波傳感器的測(cè)量電路1．超聲波傳感器的等效電路超聲波傳感器的等效電路如圖6-8所示。其中，圖6-8〔a〕所示為超聲波傳感器的電氣符號(hào)，圖6-8〔b〕所示為超聲波傳感器的等效電路，Ra為介電損耗內(nèi)電阻，Ca為壓電元件兩外表間的極間電容，Cg、Lg、Rg分別為機(jī)械共振回路的等效電容、電感和電阻。圖6-8超聲波傳感器的等效電路2．超聲波傳感器的發(fā)射電路與接收電路圖6-9超聲波傳感器的發(fā)射電路圖6-10超聲波傳感器的接收電路四、超聲波傳感器的應(yīng)用圖6-11超聲波傳感器應(yīng)用的根本類型1．超聲波測(cè)厚儀

圖6-12超聲波測(cè)厚儀2．超聲波探傷儀圖6-13超聲波探傷儀3．超聲波流量計(jì)圖6-14時(shí)差式超聲波流量計(jì)圖6-15時(shí)差式超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理圖6-16超聲波流量計(jì)的安裝方式4．超聲波液位計(jì)圖6-17超聲波液位計(jì)圖6-18超聲波液位計(jì)的安裝方式復(fù)習(xí)總結(jié)聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的。根據(jù)振動(dòng)頻率的不同，可分為、和等。由于聲波在介質(zhì)中施力的方向不同于聲波在介質(zhì)中的傳播方向，聲波的波形也不同，通常有、和外表波。超聲波具