傳感器原理及工程應(yīng)用（第五版）超聲波傳感器

超聲波傳感器

10.1超聲波及其物理性質(zhì)10.2超聲波傳感器10.3超聲波傳感器的應(yīng)用10.1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(chēng)為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)波。其頻率在16～2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱(chēng)為聲波；低于16Hz的機(jī)械波，稱(chēng)為次聲波；高于2×104Hz的機(jī)械波，稱(chēng)為超聲波，如圖10-1所示。頻率在3×108～3×1011Hz之間的波，稱(chēng)為微波。

當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。圖10-1聲波的頻率界限圖10.1.1超聲波的波型及其傳播速度

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。通常有：

①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；

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

③表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?。超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時(shí)，由于不存在剪切應(yīng)力，所以?xún)H有縱波的傳播，其傳播速度c為

式中：ρ——介質(zhì)的密度；

Ba——絕對(duì)壓縮系數(shù)。

上述的ρ、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。超聲波在空氣中的傳播速度較慢,環(huán)境溫度為20℃時(shí),超聲波的縱波傳播速度約為344m/s(電磁波的傳播速度為3×108m/s)。超聲波在液體中的縱波傳播(10-1)速度為900~1900m/s。在固體中,縱波、橫波及表面波三者的聲速有一定的關(guān)系,通常橫波的聲速為縱波聲速的一半,表面波聲速為橫波聲速的90%。

10.1.2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)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱(chēng)之為聲波的反射和折射，如圖10-2所示。圖10-2超聲波的反射和折射由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角α的正弦與反射角α′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α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即(10-2)

聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得:

式中：I0、Ir、It——分別為入射波、反射波、透射波的聲強(qiáng)；

α、β——分別為聲波的入射角和折射角；

ρ1c1、ρ2c2——分別為兩介質(zhì)的聲阻抗，其中c1和c2分別為反射波和折射波的速度。(10-3)(10-4)當(dāng)超聲波垂直入射界面，即α=β=0時(shí)，則(10-5)(10-6)由式(10-5)和式(10-6)可知，若ρ2c2≈ρ1c1，則反射系數(shù)R≈0，透射系數(shù)T≈1，此時(shí)聲波幾乎沒(méi)有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)；若ρ2c2>>ρ1c1，反射系數(shù)R≈1，則聲波在界面上幾乎全反射，透射極少。同理，當(dāng)ρ1c1>>ρ2c2時(shí)，反射系數(shù)R≈1，聲波在界面上幾乎全反射。如：在20℃水溫時(shí)，水的特性阻抗為ρ1c1=1.48×106kg/(m2·s)，空氣的特性阻抗為ρ2c2=0.000429×106kg/(m2·s)，ρ1c1>>ρ2c2

，故超聲波從水介質(zhì)中傳播至水氣界面時(shí)，將發(fā)生全反射。10.1.3超聲波的衰減

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，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為

Px=P0e－αx

(10-7)

Ix=I0e－2αx

(10-8)

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；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm(奈培/厘米)。在理想介質(zhì)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。散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來(lái)傳播方向運(yùn)動(dòng)，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。

10.2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(chēng)為超聲波傳感器、換能器或探測(cè)器。

超聲波發(fā)射器和接收器簡(jiǎn)稱(chēng)為超聲波探頭。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，其中以壓電式最為常用。

壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷。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)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應(yīng)是將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。圖10-3壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖10-3所示，它主要由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊)、保護(hù)膜、引線(xiàn)等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板。阻尼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，加長(zhǎng)超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。

10.3超聲波傳感器的應(yīng)用

10.3.1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)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)始，到接收探頭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)射和接收探頭的功能，傳感器又可分為單探頭和雙探頭。單探頭的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)探頭，而雙探頭的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)探頭擔(dān)任。圖10-4給出了幾種超聲波傳感器測(cè)量液位原理示意圖。超聲波發(fā)射和接收探頭可設(shè)置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播，如圖10-4(a)所示。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收探頭也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖10-4(b)所示。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。圖10-4超聲波傳感器測(cè)量液位原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播；(b)超聲波在空氣中傳播對(duì)于單探頭來(lái)說(shuō)，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到探頭的時(shí)間為

則

式中：h——探頭距液面的距離；

c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。(10-9)(10-10)對(duì)于如圖10-4所示雙探頭，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的路程為2s，而

因此液位高度為

式中：s——超聲波從反射點(diǎn)到探頭的距離；

a——兩探頭間距之半。(10-11)(10-12)從以上公式中可以看出，只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，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)產(chǎn)生較大的誤差。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10－2～104m。10.3.2超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的，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(tīng)聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播速度變化法。

超聲波在流體中傳播時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度是不同的，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)超聲波探頭，它們既可以發(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。圖10-5超聲波測(cè)流量原理圖如設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c，流體流動(dòng)速度為v，則

超聲波傳播時(shí)間差為

(10-13)(10-14)(10-15)從上式便可得到流體的流速，由于c>>v，上式可寫(xiě)成

在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波探頭安裝在管道的外部，從管道的外面透過(guò)管壁發(fā)射和接收超聲波，而不會(huì)給管道內(nèi)流動(dòng)的流體帶來(lái)影響，如圖10-6所示。(10-16)

圖10-6超聲波探頭安裝位置此時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間將由下式確定：

超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測(cè)的流體種類(lèi)很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高黏度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波，都可以進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)可用來(lái)對(duì)自來(lái)水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量，還適用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測(cè)量。(10-17)(10-18)10.3.3超聲波無(wú)損探傷

利用超聲波可以探測(cè)金屬內(nèi)部的缺陷，這是一種非破壞性的檢測(cè)。當(dāng)材料內(nèi)部有缺陷時(shí)，材料內(nèi)部的不連續(xù)性造成超聲波傳輸?shù)恼系K，超聲波通過(guò)這種障礙時(shí)只能透射一部分聲