超聲波傳感器原理講述專家講座

10.1超聲涉及其物理性質(zhì)10.2超聲波傳感器10.3超聲波傳感器應(yīng)用第10章超聲波傳感器返回主目錄超聲波傳感器原理講述專家講座第1頁第10章超聲波傳感器

10.1超聲涉及其物理性質(zhì)振動在彈性介質(zhì)內(nèi)傳輸稱為波動,簡稱波。頻率在16~2×104Hz之間,能為人耳所聞機(jī)械波,稱為聲波;低于16Hz機(jī)械波,稱為次聲波;高于2×104Hz機(jī)械波,稱為超聲波。如圖10-1。當(dāng)超聲波由一個介質(zhì)入射到另一個介質(zhì)時,因為在兩種介質(zhì)中傳輸速度不一樣,在介質(zhì)面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。超聲波傳感器原理講述專家講座第2頁超聲波傳感器原理講述專家講座第3頁

一、超聲波波形及其轉(zhuǎn)換因為聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳輸方向不一樣,聲波波型也不一樣。通常有:①縱波——質(zhì)點(diǎn)振動方向與波傳輸方向一致波;②橫波——質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳輸方向波;③表面波——質(zhì)點(diǎn)振動介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鬏敳?。橫波只能在固體中傳輸，縱波能在固體、液體和氣體中傳輸,表面波隨深度增加衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下物理量,應(yīng)多采取縱波?？v波、橫涉及其表面波傳輸速度取決于介質(zhì)彈性常數(shù)及介質(zhì)密度,氣體中聲速為344m/s,液體中聲速在900~1900m/s。超聲波傳感器原理講述專家講座第4頁當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）界面上時,除有縱波反射、折射外,還發(fā)生橫波反射和折射,在某種情況下,還能產(chǎn)生表面波。

二、超聲波反射和折射聲波從一個介質(zhì)傳輸?shù)搅硪粋€介質(zhì),在兩個介質(zhì)分界面上一部分聲波被反射，另一部分透射過界面,在另一個介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳輸。這么兩種情況稱之為聲波反射和折射,如圖10-2所表示。超聲波傳感器原理講述專家講座第5頁超聲波傳感器原理講述專家講座第6頁由物理學(xué)知,當(dāng)波在界面上產(chǎn)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(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時,入射角α正弦與折射角正弦之比,等于入射波在第一介質(zhì)中波速C1與折射波在第二介質(zhì)中波速C2之比,即

三、超聲波衰減聲波在介質(zhì)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(kuò)散、散射及吸收等原因相關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)衰減規(guī)律為Px=P0e-αx

(10-2）Ix=I0e-2αx

(10-3）超聲波傳感器原理講述專家講座第7頁式中:Px、Ix——距聲源x處聲壓和聲強(qiáng);x——聲波與聲源間距離;α——衰減系數(shù),單位為Np/m（奈培/米）。聲波在介質(zhì)中傳輸時,能量衰減決定于聲波擴(kuò)散、散射和吸收,在理想介質(zhì)中,聲波衰減僅來自于聲波擴(kuò)散,即隨聲波傳輸距離增加而引發(fā)聲能減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中顆粒界面或流體介質(zhì)中懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成,介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。超聲波傳感器原理講述專家講座第8頁10.2超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中物理特征和各種效應(yīng)而研制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,而以壓電式最為慣用。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(yīng)來工作:逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動,從而產(chǎn)生超聲波,可作為發(fā)射探頭;而利用正壓電效應(yīng),將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號,可用為接收探頭。超聲波傳感器原理講述專家講座第9頁超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖10-3所表示,主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜組成。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(dǎo)電極板。阻尼塊作用是降低晶片機(jī)械品質(zhì),吸收聲能量。假如沒有阻尼塊,當(dāng)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。超聲波傳感器原理講述專家講座第10頁超聲波傳感器原理講述專家講座第11頁10.3超聲波傳感器應(yīng)用

一、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)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?qū)ξ镂贿M(jìn)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。單換能器傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個換能器,而雙換能器傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔(dān)任。超聲波傳感器原理講述專家講座第12頁圖10-4給出了幾個超聲物位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置水中,讓超聲波在液體中傳輸。因為超聲波在液體中衰減比較小,所以即使發(fā)生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,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。對于單換能器來說,超聲波從發(fā)射到液面,又從液面反射到換能器時間為超聲波傳感器原理講述專家講座第13頁超聲波傳感器原理講述專家講座第14頁式中:h——換能器距液面距離;v——超聲波在介質(zhì)中傳輸速度。對于雙換能器來說,超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過旅程為2s,而s=（10-6）所以液位高度為h=（s2-a2）1/2（10-7）式中:s——超聲波反射點(diǎn)到換能器距離;a——兩換能器間距之半。超聲波傳感器原理講述專家講座第15頁從以上公式中能夠看出,只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收間隔時間,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(diǎn),但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會有較大誤差。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。

二、超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器測定原理是多樣,如傳輸速度改變法、波速移動法、多普勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。但當(dāng)前應(yīng)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(diǎn)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。超聲波傳感器原理講述專家講座第16頁假如在流體中設(shè)置兩個超聲波傳感器,它們能夠發(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10-5所表示。如設(shè)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t1=（10-8）t2=（10-9）普通來說,流體流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中傳輸速度,那么超聲波傳輸時間差為超聲波傳感器原理講述專家講座第17頁超聲波傳感器原理講述專家講座第18頁

Δt=t2-t1=（10-10）從上式便可得到流體流速,即v=