超声波传感器及应用.ppt

第9章 超声波传感器及应用 *1 主要章节 n9.1超声波及其物理性质 n9.2超声波探头及耦合技术 n9.3超声波传感器的应用 Date2 声波频率的界限划分 9.1超声波及其物理性质 9.1.1 超声波的基本概念 Date3 声波的分类 1.次声波 次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。 Date4 2.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。 Date5 3.超声波 蝙蝠 能发出和 听见超声 波。 Date6 超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中 的特点。 超声波雾化器 超声波加湿器 Date7 声波的波型 n（1）纵波质点振动方向与波的传播方向一 致的波。 n（2）横波质点振动方向垂直于传播方向的 波。 n（3）表面波质点的振动介于横波与纵波之 间，沿着表面传播的波。 n横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体 和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。 为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。 Date8 纵 波 Date9 横波 Date10 表面波 Date11 2.声速、波长与指向性 n（1）声速 n纵波、横波及表面波的传播速度取决于 介质的弹性系数、介质的密度以及声阻 抗 。 n介质的声阻抗Z等于介质的密度和声速c 的乘积，即 nZ=c Date12 常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温 度为0） 材 料 密度 (103kgm- 1) 声阻抗 Z（ 103MPas - 1） 纵波声速 cL（km/ s ） 横波声速 cs（km/s） 钢7.8465.93.23 铝2.7176.323.08 铜8.9424.72.05 有机玻璃1.183.22.731.43 甘油1.262.41.92 水（20）1.01.481.48 油0.91.281.4 空气0.00130.00040.34 Date13 （2）波长 n超声波的波长与频率f 乘积恒等于声速c ，即 n f =c Date14 （3）指向性 n超声波声源发出的超声波束以一定的角 度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心 轴线上，超声波最强，且随着扩散角度 的增大而减小。 1超声源 2轴线 3指向角 4等强度线 Date15 n指向角与超声源的直径D、以及波长 之间的关系为 nsin= 1.22/D n设超声源的直径D=20mm，射入钢板的 超声波（纵波）频率为5MHz，则根据上 式可得=4，可见该超声波的指向性是 十分尖锐的。 Date16 3.超声波的反射和折射 n超声波从一种介质传播到另一介质，在 两个介质的分界面上一部分能量被反射 回原介质，叫做反射波，另一部分透射 过界面，在另一种介质内部继续传播， 则叫做折射波。这样的两种情况分别称 之为声波的反射和折射， Date17 波的反射和折射 Date18 n（1）反射定律 n入射角 的正弦与反射角的正弦之比等于波 速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速 相等时，入射角 等于反射角。 n（2）折射定律 n入射角 的正弦与折射角 的正弦之比等于超 声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中 介质的波速c2之比，即 nsin / sin = c1 / c2 Date19 4.超声波的衰减 n超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加 ，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩 散、散射及吸收等因素有关。 n在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩 散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱 。 n散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质 中的悬浮粒子使声波散射。 n吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞 后造成的，介质吸收声能并转换为热能。 Date20 9.2.1 超声波探头 n工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁 式 n其结构不同，超声波探头又分为直探头 、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦 探头、冲水探头、水浸探头、空气传导 探头以及其他专用探头等， 9.2超声波探头及耦合技术 Date21 各种超声波探头 常用频率范围：0.510MHz， 常见晶片直径：530mm 接触式直探头（ 纵波垂直入射到 被检介质） 外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。 保护膜 接插件 Date22 超声波探头中的压电陶瓷芯片 将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用 逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振 动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利 用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电 荷和电压。 Date23 1.单晶直探头 n用于固体介质的单晶直探头（俗称直探 头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料 制作，外壳用金属制作，保护膜用于防 止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化 二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐 磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电 晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反 射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用 钨粉、环氧树脂等浇注。 Date24 超声波探头结构示意 1接插件 2外壳 3阻尼吸收块 4引线 5压电晶体 6保护膜 7隔离层 8延迟块 9有机玻璃斜楔块 10试件 11耦合剂 Date25 n超声波的发射和接收虽然均是利用同一 块晶片，但时间上有先后之分，所以单 晶直探头是处于分时工作状态，必须用 电子开关来切换这两种不同的状态。 Date26 2.双晶直探头 n由两个单晶探头组合而成，装配在同一 壳体内。其中一片晶片发射超声波，另 一片晶片接收超声波。两晶片之间用一 片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以 隔离，使超声波的发射和接收互不干扰 。 n双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精 度比单晶直探头高，且超声波信号的反 射和接收的控制电路较单晶直探头简单 。 Date27 各种双晶直探头 焦距范围：540mm, 频率范围： 2.55MHz，钢中折射角：45 70 Date28 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、 45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材 料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一 定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多 次反射，而传播到较远处去。 底部耐磨材料 接插件 3.斜探头 Date29 各种接触式斜探头 常用频率范围：15MHz Date30 接触式双晶斜探头 Date31 4.聚焦探头 n分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为 聚焦探头，是一种很有发展前途的新型 探头。 n聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超 声波，也可以采用两种不同声速的塑料 来制作声透镜，还可利用类似光学反射 镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。 如果将双晶直探头的延迟块按上述方法 加工，也可具有聚焦功能。 Date32 5.箔式探头 n利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高 分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔 式探头，可以获得0.2mm直径的超细声 束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很 高清晰度的图像。 Date33 6.空气传导型探头 n超声探头的发射换能器和接收换能器一 般是分开设置的，两者结构也略有不同 ， n发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振 盘，以提高发射效率和方向性。接收器 在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器， 以滤除噪声，提高接收效率。空气传导 的超声发射器和接收器的有效工作范围 可达几米至几十米。 Date34 空气传导型超声发生、接收器结构示意图 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶体片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束 Date35 空气超声探头 Date36 空气超声探头外形 Date37 空气超声探头外形 Date38 9.2.2 超声波探头耦合剂 n一般不能直接将其放在被测介质（特别 是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损 。 n空气的密度很小，将引起3个界面间强烈 的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也 将对超声波造成很大的衰减。 n常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻 璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度 应尽量薄一些，以减小耦合损耗。 Date39 耦合剂 Date40 9.3超声波传感器的应用 n超声波测厚常用脉冲回波法。 n超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产 生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电 流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声 波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回 来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的 声速是已知的，设工件厚度为，脉冲波从发 射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出 工件厚度为 n=t/2 1超声波测厚 Date41 脉冲回波法测厚工作原理 从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求 出时间间隔t。 也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间 间隔t，从而做成厚度数字显示仪表。 Date42 2.超声波物位传感器 n超声波物位传感器是利用超声波在两种 介质的分界面上的反射特性而制成的。 如果从发射超声波脉冲开始，到接收换 能器接收到反射波为止的这个时间间隔 为已知，就可以求出分界面的位置，利 用这种方法可以对物位进行测量。 Date43 几种超声物位传感器的结构示意图 Date44 结论 n只要测得超声波脉冲从发射到接收的间 隔时间，便可以求得待测的物位，超声 物位传感器具有精度高和使用寿命长的 特点 n若液体中有气泡或液面发生波动，便会 有较大的误差。 n在一般使用条件下，它的测量误差为 0.1%，检测物位的范围为102 104m。 Date45 3.超声波流量传感器 n测定原理目前应用较广的主要是超声波 传输时间差法。 n超声波在流体中传输时，在静止流体和 流动流体中的传输速度是不同的，利用 这一特点可以求出流体的速度，再根据 管道流体的截面积，便可知道流体的流 量。 Date46 实际应用 n超声波传感器安装在管道的外部，从管 道的外面透过管壁发射和接收，超声波 不会给管内流动的流体带来影响 Date47 超声波测量原理图 Date48 超声波传感器安装位置图 Date49 特点 n超声波流量传感器具有不阻碍流体流动 的特点，可测流体种类很多，不论是非 导电的流体。还是高黏度的流体、浆状 流体，只要能传输超声波的流体都可以 进行测量。 n超声波流量计可用来对自来水、工业用 水、农业用水等进行测量。还可用于下 水道、农业灌溉、河流等流速的测量。 Date50 4.汽车倒车探测器 （倒车雷