傳感器技術(shù)與應(yīng)用

1、傳感器技術(shù)與應(yīng)用（超聲波傳感器） 系別：電氣工程系 專業(yè)：電氣自動化 班級：*班 學號：* 姓名：* 指導教師：*前言超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。目錄1、 超聲波的定義與分類···

2、········12、 超聲波傳感器的類型···········33、 超聲波的產(chǎn)生與接收···········34、 耦合劑的用途和作用···········55、 超聲波傳感器的應(yīng)用&#

3、183;··········66、 多普勒效應(yīng)··················10七、超聲波傳感器的典型應(yīng)用舉例 ·111、 超聲波的定義與分類 當振動頻率高于20KHz以上（或振動頻率大小于16Hz）的，人在自然環(huán)境下無法聽到和感受到的聲波都稱為超聲波。人們通常把振動頻率大小于16Hz的聲波叫

4、作次超聲波（簡稱次聲波），而振動頻率大于20KHz以上的才叫做超聲波。 聲波的分類聲波的分類是按照頻率來劃分的，包括次聲波、聲波、超聲波、超高頻聲波。 次聲波是指頻率低于20Hz的機械波，聲波是指人耳所能聽到的，頻率在20Hz20kHz的機械波，超聲波是指頻率高于20kHz的機械波，其中頻率大于10-8（0.5x10-9）的機械波稱為超高頻聲波，其具有了波粒兩相性。 根據(jù)質(zhì)點的振動方向分類根據(jù)波動傳播時介質(zhì)質(zhì)點的振動方向相對于波的傳播方向的不同，可將波動劃分為縱波（壓縮波或疏密波）、橫波（剪切波）、表面波和板波等。 1 縱波（L）概念及產(chǎn)生機理 縱波是指介質(zhì)中的質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互

5、平行或一致的波，用L表示。當介質(zhì)質(zhì)點受到交變拉壓應(yīng)力作用時，質(zhì)點之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮變形，從而形成縱波。這時介質(zhì)質(zhì)點疏密相間，故縱波又成為壓縮波或疏密波。凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。固體介質(zhì)既可承受拉力又可承受壓縮力，因此固體介質(zhì)可以傳播縱播。液體和氣體介質(zhì)雖不能承受拉力，但能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生體積或容積的變化，因此液體和氣體也可傳播縱播。 2 橫波（S或T）概念及產(chǎn)生機理橫波是指介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波，用S或T表示。由于橫波的產(chǎn)生是在剪切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的，因此需要介質(zhì)能夠有剪切模量，才能承受剪切應(yīng)力，而只有固體介質(zhì)能夠承受剪切應(yīng)力，液體和氣體介質(zhì)中無剪切模量

6、，因而不能產(chǎn)生橫波。所以只有固體介質(zhì)才能夠傳播橫波。 3 表面波（SAW或R）的概念及產(chǎn)生機理當介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時，產(chǎn)生的沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，稱為表面波，常用R表示，是英國的物理學家瑞利先生于1887年首先提出來的，因此又稱表面波為瑞利波。 表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r，介質(zhì)表面質(zhì)點做橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成。因此表面波與橫波一樣只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體或氣體中傳播。 表面波只能在固體介質(zhì)中傳播，表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。當傳播深度超過兩倍波長時，指點的振幅就已經(jīng)很小了，因此，

7、一般認為，表面波只能檢測距表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。 4. 板波（PW）的概念及產(chǎn)生機理是指在板中激勵的與板厚相當波長的波，稱為板波。根據(jù)質(zhì)點的震動方向不同可將斑駁分為SH波和蘭姆波。（1）SH波，是水平偏振的橫波在波板中傳播的波。波板中各質(zhì)點的振動方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當于固體介質(zhì)表面中的橫波。（2）蘭姆波，（lamb wave）可分為對稱型（S型）和非對稱型(A型)。 對稱型蘭姆波的特點是薄板中心質(zhì)點作縱向振動，上下表面質(zhì)點作橢圓運動、振動相位相反并對稱于中心。二、超聲波傳感器的類型一、根據(jù)使用方法：可分為收發(fā)一體型、收發(fā)分體型（收發(fā)各一只）；二、根據(jù)結(jié)構(gòu)來分：可分為開放型

8、、防水型、高頻型等；三、根據(jù)使用環(huán)境：可分為空氣中和水聲換能器；三、超聲波的產(chǎn)生與接收超聲波的產(chǎn)生   聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的,其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同

9、點是超聲波頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在 25兆Hz之間，常用為33.5兆Hz（每秒振動1次為1Hz，1兆Hz=106Hz,即每秒振動100萬次，可聞波的頻率在1620，000HZ 之間）。超聲波是聲波大家族中的一員。超聲波接收電路  超聲波接收及信號處理電路是此系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的一個難點。超聲波接收器接收反射的超聲波轉(zhuǎn)換為40KHz毫伏級的電壓信號,需要經(jīng)過放大、處理、用于觸發(fā)單片機中斷INT0。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘栁⑷?，同時根據(jù)反射條件不同信號大小變化較大,需要放大倍數(shù)大約為100到5000倍,另

10、一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩馆^大,這就需要高輸入阻抗的多級放大電路,這就會引入兩個問題:高輸入阻抗容易接收干擾信號,同時多級放大電路容易自激振蕩。參考各種資料最后選用了SONY公司的專用集成前置放大器CX20106達到了比較好的效果。超聲波傳感器使用注意事項1：為確?？煽啃约伴L使用壽命，請勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器。2：由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質(zhì)，因此局部溫度不同時，分界處的反射和折射可能會導致誤動作，風吹時檢出距離也會發(fā)生變化。因此，不應(yīng)在強制通風機之類的設(shè)備旁使用傳感器。3：噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會影響傳感器且不應(yīng)在傳感器附近使用。4：傳感器表面的水滴縮短了檢出距離。

11、5：細粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時無法被檢出(反射型傳感器)。6：不能在真空區(qū)或防爆區(qū)使用傳感器。7：請勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器;此區(qū)域的大氣不均勻。將會產(chǎn)生溫度梯度，從而導致測量錯誤。四、耦合劑的用途和作用 做超聲檢查時，探頭與病人皮膚之間的空氣將阻礙超聲波傳入人體，為獲得高質(zhì)量的圖像，需要液性傳到介質(zhì)來連接探頭與病人體表，這種介質(zhì)就是耦合劑。為什么要使用耦合劑？ 使用耦合劑的目的首先是充填接觸面之間的微小空隙，不使這些空隙間的微量空氣影響超聲的穿透；其次是通過耦合劑“過渡”作用，使探頭與皮膚之間的聲阻抗差減小，從而減小超聲能量在此界面的反射損失。另外，還起到“潤滑”作用，減小探頭面與

12、皮膚之間的摩擦，使探頭能靈活的滑動探查。五、超聲波傳感器的應(yīng)用1、超聲波測距原理：       超聲波發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板，當它的兩極外加上固有振蕩頻率的脈沖電壓時壓電晶片會發(fā)生共振并產(chǎn)生超聲波。如果共振板接收到超聲波時，也會迫使壓電晶片產(chǎn)生振動，反過來將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，成為超聲波接收器。 在超聲波測距電路中，發(fā)射端連續(xù)輸出一系列脈沖方波，然后判斷接收端，實現(xiàn)超聲測距一般有以下兩種方法：  讀取輸出端脈沖電壓的平均值，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，

13、測量電壓即可測得距離；  測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，故被測距離為 S=12vt。     我們的產(chǎn)品采用第二種方案。由于超聲波的傳播速度和溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認為聲速基本不變 。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用12M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。  2、超聲波探傷原理

14、60; 目前，運用數(shù)字式數(shù)據(jù)處理比模擬電子技術(shù)顯示了極大的優(yōu)越性，隨著探傷技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理與分析已不再僅僅是輔助技術(shù)，而是一種基本技術(shù)。高性能的A/D轉(zhuǎn)換器和高效率的微處理器的問世，將不斷地取代模擬電子的技術(shù)，尤其在高頻領(lǐng)域應(yīng)用模擬電子技術(shù)明顯受到限制。數(shù)字化超聲波探傷使測試系統(tǒng)開拓了新的檢測能力。  數(shù)字化超聲波探傷儀的整個系統(tǒng)由計算機（工控機IPC）作為主機（上位機），以單片機芯片為主構(gòu)成的四塊專用板卡及系統(tǒng)構(gòu)成及通用的開關(guān)量I/O板卡組成下位機，統(tǒng)一控制管理超聲系統(tǒng)（見下圖）。   工控機管理的數(shù)字式超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu) &

15、#160;系統(tǒng)程序流程：系統(tǒng)上電運行探傷操作程序IPC機送下位機初始數(shù)據(jù)中斷響應(yīng)進入缺陷判斷報警程序IPC機讀取底波峰值電壓VB，缺陷波峰值電壓VF，底波距發(fā)射的時間TF信號及一組高速采樣數(shù)據(jù)分析計算處理數(shù)據(jù)符合缺陷判斷條件報警顯示屏上畫出高速采樣波形調(diào)整后的閘門和衰減量等參數(shù)存儲，待下一循環(huán)送出返回探傷操作程序，并等待響應(yīng)下一次中斷。 由此，可見計算機與傳統(tǒng)的超聲檢測系統(tǒng)相結(jié)合時，是超聲檢測技術(shù)向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的一個突破，因為它具有了以下的特點： 1. 計算機控制的超聲檢測系統(tǒng)可自動選擇檢測參數(shù)  2. 相互校正自動選擇操作

16、工藝  3. 自動記錄數(shù)據(jù)  4. 進行換能器的自動補償和檢測結(jié)果的自動判斷  從而實現(xiàn)自動判傷，自動讀出和顯示缺陷位置與當量值，并存儲和打印輸出探傷報告，大大地提高了探傷結(jié)果的可信度。 數(shù)字超聲波探傷儀是目前研究的熱點，主要集中在研究其適應(yīng)性強，靈敏性高。我段自2000年引進數(shù)字式超聲波探傷儀后，使我段在SS7型電力機車檢修中車軸及輪箍的缺陷檢測得率大有提高，尤其是同型機車且均運營在南昆線上，昆明機務(wù)段已有幾起崩箍事故發(fā)生，而我段還無一類似事故。這是因為我段在事故發(fā)生前將缺陷檢出，從而避免了事故的發(fā)生，

17、如我段在2000年檢測出12個輪箍有超限缺陷，2001年檢測出13個輪箍有缺陷，3條車軸有裂紋。由此可見，數(shù)字式超聲波探傷儀的缺陷檢出可信度是模擬超聲波探傷儀所無法比擬的，因此，發(fā)展數(shù)字式超聲波檢測技術(shù)在機車檢測領(lǐng)域的應(yīng)用是極其重要的。3、超聲波測流量超聲波測流量的優(yōu)點利用超聲波測量液體和氣體的流速和流量,很早就有人研究過.過去限于技術(shù)水平,一直沒有很大發(fā)展.最近幾十年由于電子技術(shù)的進步,超聲波流量計獲得實際應(yīng)用,而且日益完善.與經(jīng)典的流量計相比,超聲波流量計具有下述優(yōu)點:(1)超聲波流量計能制成非接觸式,可對不易接觸和觀察的流體進行測量.(2)超聲波流量計不受流體物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的影響,諸

18、如流體的粘性、導電性、混濁性及腐蝕性等均不妨礙超聲波流量計的應(yīng)用.(3)超聲波流量計的指示讀數(shù)與所測流體的流量成線性關(guān)系,便于流量的直接讀數(shù)、記錄和流量累積。六、多普勒效應(yīng) 在日常生活中，我們都會有這種經(jīng)驗：當一列鳴著汽笛火車經(jīng)過某觀察者時，他會發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調(diào)由高變低. 為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這是因為聲調(diào)的高低是由聲波振動頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調(diào)聽起來就高；反之聲調(diào)聽起來就低.這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，它是用發(fā)現(xiàn)者克里斯蒂安·多普勒（ChristianDoppler,1803-1853）的名字命名的，多普勒是奧地利物理學家和數(shù)學家.他于1842年首先發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng).為了理解這一現(xiàn)象，就需要考察火車以恒定速度駛近時，汽笛發(fā)出的聲波在傳播時的規(guī)律.其結(jié)果是聲波的波長縮短，好象波被壓縮了.因此，在一定時間間隔內(nèi)傳播的波數(shù)就增加了，這就是觀察者為什么會感受到聲調(diào)變高的原因；相反，當火車駛向遠方時，聲波的波長變大，好象波被拉伸了. 因此，聲音聽起來就顯得低沉.定量分析得到f1=（u+v0）/（u-vs）f ，其中vs為波源相對于介質(zhì)的速度，v0為觀察者相對于介質(zhì)的速度，f表示波源的固有頻率，u表示