超聲波傳感器

1、第10章 超聲波傳感器 第10章 超聲波傳感器 10.1 超聲波及其物理性質超聲波及其物理性質10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器10.3 超聲波傳感器應用超聲波傳感器應用 第10章 超聲波傳感器 10.1 超聲波及其物理性質超聲波及其物理性質 10.1 超聲波及其物理性質超聲波及其物理性質波動（簡稱波）：振動在彈性介質內的傳播聲波：其頻率在162104 Hz之間，能為人耳所聞的機械波次聲波：低于16 Hz的機械波超聲波：高于2104 Hz的機械波微波：頻率在310831011 Hz之間的波如圖10-1所示。第10章 超聲波傳感器 圖10-1 聲波的頻率界限圖 當超聲波由一種介質入射到另一種介質

2、時，由于在兩種介質中傳播速度不同，在介質界面上會產生反射、折射和波型轉換等現(xiàn)象。 101102103104105106107f / Hz微波探測超聲波語言音樂聲波次聲波0.2510620106第10章 超聲波傳感器 10.1.1 超聲波的波型及其傳播速度超聲波的波型及其傳播速度 聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有： 縱波：質點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質中傳播； 橫波：質點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質中傳播； 表面波：質點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體

3、的表面?zhèn)鞑ァ?第10章 超聲波傳感器 超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為 nBc1式中：介質的密度； Ba絕對壓縮系數(shù)。 上述的、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質中的傳播速度隨溫度的變化而變化。 （10-1） 第10章 超聲波傳感器 聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質、壓強也會引起聲速的變化。 在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系， 通?？烧J為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344 m/s，液體中縱波聲速在9001900m/s。 第10章 超聲波傳感器

4、 圖10-2 超聲波的反射和折射o介質1介質2折射波反射波入射波10.1.2 超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射第10章 超聲波傳感器 由物理學知，當波在界面上產生反射時，入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。 當波在界面處產生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質中的波速c1與折射波在第二介質中的波速c2之比，即 21sinsincc（10-2） 第10章 超聲波傳感器 10.1.3 超聲波的衰減超聲波的衰減 聲波在介質中傳播時，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散、散射及吸收等因素有關。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為 axxaxxeIIePP2

5、00（10-7） （10-8） 式中：Px、Ix距聲源x處的聲壓和聲強； x聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。 第10章 超聲波傳感器 聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。 在理想介質中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散， 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中傳播時，固體介質中的顆粒界面或流體介質中的懸浮粒子使聲波產生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、 介質的性質和散射粒子的性質有關。吸收衰減是由于介質粘滯性，使超聲波在介質中傳播時造成質點間的內摩擦，從而使

6、一部分聲能轉換為熱能，通過熱傳導進行熱交換，導致聲能的損耗。 第10章 超聲波傳感器 10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。 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，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。 它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發(fā)射探頭； 而正壓電效應是將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。 第10章 超聲波傳感器 超聲波探頭結構如圖10-3所

7、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。超聲波頻率f與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導電的極板。 阻尼塊的作用：降低晶片的機械品質， 吸收聲能量。 如果沒有阻尼塊，當激勵的電脈沖信號停止時， 晶片將會繼續(xù)振蕩， 加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。 第10章 超聲波傳感器 圖10-3 壓電式超聲波傳感器結構 金屬殼吸收塊保護膜接線片壓電晶片導電螺桿第10章 超聲波傳感器 10.3 超聲波傳感器應用超聲波傳感器應用 10.3.1 超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。如果

8、從發(fā)射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進行測量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。第10章 超聲波傳感器 圖10-4給出了幾種超聲物位傳感器的結構示意圖。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)射和接收換能器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。 第10章 超聲波

9、傳感器 圖10-4 幾種超聲物位傳感器的結構原理示意圖 (a) 超聲波在液體中傳播； (b) 超聲波在空氣中傳播hh2a2ahhss(a)(b)第10章 超聲波傳感器 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的時間為 22cthcht則 （10-9） （10-10） 式中：h換能器距液面的距離； c超聲波在介質中傳播的速度。 第10章 超聲波傳感器 對于如圖10-4所示雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經過的路程為2s，而 2cts （10-11） 因此液位高度為 22ash（10-12） 式中：s超聲波從反射點到換能器的距離； a兩換能器間距之半。 第10章 超聲波傳感器

10、從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，便可以求得待測的物位。 超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會產生較大的誤差。在一般使用條件下， 它的測量誤差為0.1%，檢測物位的范圍為10-2104m。 第10章 超聲波傳感器 10.3.2 超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器 超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的， 如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應法、流動聽聲法等。但目前應用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。 超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積， 便

11、可知道流體的流量。 第10章 超聲波傳感器 如果在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L, 如圖10-5所示。如設順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，流體靜止時的超聲波傳播速度為c，流體流動速度為v，則 vcLtvcLt21（10-13） （10-14） 第10章 超聲波傳感器 圖10-5 超聲波測流量原理圖第10章 超聲波傳感器 一般來說，流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳播速度， 因此超聲波傳播時間差為 22122vcLvttt（10-15） 由于cv, 從上式便可得到流體的流速， 即 tLcv22（10-16） 第10章 超聲波傳感器 圖10-6 超聲波傳感器安裝位置 第10章 超聲波傳感器 此時超聲波的傳輸時間將由下式確定： sinc