超聲波傳感器的特性

超聲波傳感器超聲波傳感器的特性第1頁測距離超聲波傳感器的特性第2頁超聲波傳感器的特性第3頁測料位超聲波傳感器的特性第4頁測流量超聲波傳感器的特性第5頁無損探傷超聲波傳感器的特性第6頁B-scanultrasoundimagingtechnology超聲波傳感器的特性第7頁測厚度超聲波傳感器的特性第8頁美國維吉尼亞級潛艇超聲波傳感器的特性第9頁超聲波傳感器的特性第10頁超聲波傳感器特征超聲波概述超聲波傳感器種類超聲波傳感器工作原理超聲波傳感器結構超聲波傳感器特征超聲波傳感器應用超聲波傳感器的特性第11頁（一）超聲波概述聲音實質機械振動在媒質中傳輸。（聲速，波長，頻率）超聲波傳感器的特性第12頁超聲波波型及其傳輸速度當聲源在介質中施力方向與波在介質中傳輸方向不一樣時，聲波波型也不一樣。通常有：①縱波：質點振動方向與波傳輸方向一致波，它能在固體、液體和氣體介質中傳輸；②橫波：質點振動方向垂直于傳輸方向波，它只能在固體介質中傳輸；③表面波：質點振動介于橫波與縱波之間，沿著介質表面?zhèn)鬏?，其振幅隨深度增加而快速衰減波，表面波只在固體表面?zhèn)鬏?。超聲波傳感器的特性?3頁超聲波傳感器的特性第14頁超聲波傳輸速度與介質密度和彈性特征相關。超聲波在氣體和液體中傳輸時，因為不存在剪切應力，所以僅有縱波傳輸，其傳輸速度c為式中：ρ——介質密度；

Ba——絕對壓縮系數(shù)。上述ρ、Ba都是溫度函數(shù)，所以超聲波在介質中傳輸速度隨溫度改變而變化。聲速隨溫度增加而減小。超聲波傳感器的特性第15頁另外，水質、壓強也會引發(fā)聲速改變。在固體中，縱波、橫涉及其表面波三者聲速有一定關系，通常可認為橫波聲速為縱波二分之一，表面波聲速為橫波聲速90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900～1900m/s。超聲波傳感器的特性第16頁聲波頻率超聲波傳感器的特性第17頁1830年法國Savart音調極限試驗：存在聽不到聲音超聲波傳感器的特性第18頁次聲超聲可聽聲超聲是頻率大于兩萬赫茲聲波。超聲波傳感器的特性第19頁鐵絲直徑小于0.07mm碰撞鐵絲直徑大于0.34mm不碰撞蝙蝠飛行本事回音定位超聲波傳感器的特性第20頁超聲波反射和折射由物理學知，當波在界面上產生反射時，入射角α正弦與反射角α′正弦之比等于波速之比。當波在界面處產生折射時，入射角α正弦與折射角β正弦之比，等于入射波在第一介質中波速c1與折射波在第二介質中波速c2之比，即超聲波傳感器的特性第21頁超聲波衰減

聲波在介質中傳輸時，伴隨傳輸距離增加，能量逐步衰減，其衰減程度與聲波擴散、散射及吸收等原因相關。其聲壓和聲強衰減規(guī)律為式中：Px、Ix——距聲源x處聲壓和聲強；

x——聲波測量點與聲源間距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。超聲波傳感器的特性第22頁聲波在介質中傳輸時，能量衰減決定于聲波擴散、散射和吸收。在理想介質中，聲波衰減僅來自于聲波擴散，即隨聲波傳輸距離增加而引發(fā)聲能減弱。散射衰減是指超聲波在介質中傳輸時，固體介質中顆粒界面或流體介質中懸浮粒子使聲波產生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳輸方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子形狀、尺寸、數(shù)量、介質性質和散射粒子性質相關。吸收衰減是因為介質粘滯性，使超聲波在介質中傳輸時造成質點間內摩擦，從而使一部分聲能轉換為熱能，經過熱傳導進行熱交換，造成聲能損耗。超聲波傳感器的特性第23頁（二）超聲波傳感器原理及結構

利用超聲波在超聲場中物理特征和各種效應而研制裝置稱為超聲波傳感器、探測器或換能器，也稱為探頭。超聲波是一個振動頻率高于聲波機械波，由換能材料在電壓激勵下發(fā)生振動產生，它含有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，尤其是方向性好、能夠成為射線而定向傳輸?shù)忍攸c。超聲波對液體、固體穿透本事很大，尤其是在陽光不透明固體中，它可穿透幾十米深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。所以超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。超聲波傳感器的特性第24頁超聲波傳感器的特性第25頁壓電式超聲波傳感器基本工作原理

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，其中以壓電式最為慣用。壓電式超聲波探頭慣用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料壓電效應來工作。壓電效應有正向壓電效應和逆向壓電效應。

超聲波發(fā)送器是利用逆向壓電效應制成——即在壓電元件上施加電壓，元件就變形（也稱應變）引發(fā)空氣振動產生超聲波，超聲波以疏密波形式傳輸，傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用正向壓電效應制成——即接收到超聲波促使接收器振子伴隨對應頻率進行振動，因為存在正向壓電效應，就產生與超聲波頻率相同高頻電壓。當然這種電壓非常小，必須采取放大器進行放大。超聲波傳感器的特性第26頁超聲波探頭結構如圖所表示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線等組成。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。壓電晶片兩面鍍有銀層，作導電極板。阻尼塊作用：降低晶片機械品質，吸收聲能量。假如沒有阻尼塊，當激勵電脈沖信號停頓時，晶片將會繼續(xù)振蕩，加長超聲波脈沖寬度，使分辨率變差。超聲波傳感器結構超聲波傳感器的特性第27頁基座雙壓電陶瓷晶片錐形振子屏蔽柵外殼空氣中用超聲波傳感器結構如右圖所表示，采取雙壓電陶瓷晶片結構。將雙壓電陶瓷晶片固定安裝在基座上，為了增強其效果，在壓電晶片上面加裝了錐形振子，最終將其裝在金屬殼體中并伸出兩根引線。發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時，超聲波振動集中于振子中心，所以能產生高效率高頻電壓。超聲波傳感器的特性第28頁（三）超聲波傳感器特征

3.1頻率特征接收超聲波發(fā)送超聲波超聲波傳感器的特性第29頁3.2指向性特征超聲波傳感器的特性第30頁3.3溫度特征3.4阻抗特征阻抗頻率并聯(lián)諧振串聯(lián)諧振超聲波傳感器的特性第31頁通常發(fā)送傳感器工作于輸出最大串聯(lián)諧振頻率，而接收傳感器工作于接收靈敏度最高并聯(lián)諧振頻率；經過試驗發(fā)覺，發(fā)送傳感器串聯(lián)諧振頻率與接收傳感器并聯(lián)諧振頻率幾乎一致。所以超聲波傳感器在實際應用時，都是在諧振頻率附近使用。超聲波接收頭必須采取與發(fā)射頭對應型號，關鍵是諧振頻率要一致，不然將因無法產生共振而影響接收效果，甚至無法接收。另外，超聲波傳感器含有高阻特征，驅動電流小，要求驅動電壓較高，是電壓驅動型傳感器。

超聲波傳感器的特性第32頁1、工作頻率。工作頻率就是壓電晶片共振頻率。當加到它兩端交流電壓頻率和晶片共振頻率相等時，輸出能量最大，靈敏度也最高。2、工作溫度。因為壓電材料居里點普通比較高，尤其時診療用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，能夠長時間地工作而不失效。醫(yī)療用超聲探頭溫度比較高，需要單獨制冷設備。3、靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。3.5性能指標超聲波傳感器的特性第33頁超聲波傳感器-性能參數(shù)超聲波傳感器的特性第34頁（四）超聲波傳感器應用

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分界面上反射特征而制成。假如從發(fā)射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止這個時間間隔為已知，就能夠求出分界面位置，利用這種方法能夠對物位進行測量。依據(jù)發(fā)射和接收換能器功效，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。超聲波傳感器的特性第35頁幾個超聲物位傳感器結構原理示意圖(a)超聲波在液體中傳輸；(b)超聲波在空氣中傳輸超聲波傳感器的特性第36頁上圖給出了幾個超聲物位傳感器結構示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設置在液體介質中，讓超聲波在液體介質中傳輸，如圖（a）所表示。因為超聲波在液體中衰減比較小，所以即使發(fā)射超聲脈沖幅度較小也能夠傳輸。超聲波發(fā)射和接收換能器也能夠安裝在液面上方，讓超聲波在空氣中傳輸，如圖（b）所表示。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中衰減比較厲害。超聲波傳感器的特性第37頁對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器時間為則式中：h——換能器距液面距離；

c——超聲波在介質中傳輸速度。超聲波傳感器的特性第38頁對于如圖（b）所表示雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經過旅程為2s，而所以液位高度為式中：s——超聲波從反射點到換能器距離；

a——兩換能器間距之半。超聲波傳感器的特性第39頁從以上公式中能夠看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收時間間隔，便能夠求得待測物位。超聲物位傳感器含有精度高和使用壽命長特點，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會產生較大誤差。在普通使用條件下，它測量誤差為±0.1%，檢測物位范圍為10-2~104m。超聲波傳感器的特性第40頁測料位超聲波傳感器的特性第41頁2.超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器測定方法是多樣，如傳輸速度改變法、波速移動法、多普勒效應法、流動聽聲法等。但當前應用較廣主要是超聲波傳輸時間差法。超聲波在流體中傳輸時，在靜止流體和流動流體中傳輸速度是不一樣，利用這一特點能夠求出流體速度，再依據(jù)管道流體截面積，便可知道流體流量。超聲波傳感器的特性第42頁假如在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既能夠發(fā)射超聲波又能夠接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L,如圖所表示。如設順流方向傳輸時間為t1，逆流方向傳輸時間為t2，流體靜止時超聲波傳輸速度為c，流體流動速度為v，則超聲波傳感器的特性第43頁所以超聲波傳輸時間差為普通來說，流體流速遠小于超聲波在流體中傳輸速度，即c>>v,從上式便可得到流體流速，即超聲波傳感器的特性第44頁圖2超聲波傳感器安裝位置超聲波傳感器的特性第45頁此時超聲波傳輸時間將由下式確定：超聲波傳感器的特性第46頁超聲波流量傳感器含有不妨礙流體流動特點，可測流體種類很多，不論是非導電流體、高粘度流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波流體都能夠進行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業(yè)用水、農業(yè)用水等進行測量。還適合用于下水道、農業(yè)灌渠、河流等流速測量。超聲波傳感器的特性第47頁測流量超聲波傳感器的特性第48頁無損探傷超聲波傳感器的特性第49頁測距離超聲波傳感器的特性第50頁測厚度超聲波傳感器的特性第51頁超聲波傳感器的特性第52頁超聲波傳感器的特性第53頁超聲波傳感器-檢測好壞超聲波傳感器用萬用表直接測試是沒有什么反應。要想測試超聲波傳感器好壞能夠搭一個音頻振蕩電路，當C1為3900μF時，在反相器⑧腳與⑩腳間可產生一個1.9kHz左右音頻信號。把要檢測超聲波傳感器(發(fā)射和接收)接在⑧腳與⑩腳之間;假如傳感器能發(fā)出音頻聲音，基本就能夠確定比超聲波傳感器是好。注：C1=3900μF時，為1.9kHZ左右；C1=0.01μF時，約0.76kHZ。超聲波傳感器的特性第54頁超聲波傳感器選型

普通市售超聲波傳感器有專用型和兼用型兩種：專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器諧振頻率（即壓電元件中心頻率）為23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。因為超聲波在空氣中傳輸時衰減很大，衰減程度與頻率成正比，不過諧振頻率越高則分辨率也會越高，則檢測距離變短，所以短距離測量時普通選頻率高傳感器（100kHz以上），長距離測距只能選頻率低傳感器。

超聲波傳感器的特性第55頁超聲波傳感器特征

本系統(tǒng)所使用發(fā)射器和接收器是以中心頻率（或諧振頻率）和直徑為參數(shù)來劃分：其型號為TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示傳感器工作中心頻率（或諧振頻率）為40kHz，16表示傳感器外形直