超声波传感器应用举例（续）.ppt

超声波流量计 超声波传感器,超声波传感器,了解超声波的物理特性； 着重了解超声波在检测技术中的一些应用； 了解无损探伤的设备及方法。,概述： 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。,2.可闻声波,美妙的音乐可使人陶醉。,3.超声波,蝙蝠能发出和听见超声波。,蝙蝠依靠超声波捕食,超声波用于高效清洗,当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。,压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。,超声波塑料焊接机,超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。,便携式超声波探鱼器,超声波在医学检查中的应用,胎儿的 b超影像,超声波清洗原理及清洗器 （参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,超声波物理基础,频率高于20khz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。,超声波换能器及耦合技术,超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。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、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。,各种超声波探头 （以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）,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,接触式 直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,吸收块：降低压电晶体的机械品质，吸收超声波的能量。 如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片会继续振荡。,接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）,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,接触法 双晶直探头,将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。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。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。,发射晶片,接收晶片,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,水浸探头 （可用自来水作为耦合剂）,选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。,耦合剂,超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。,当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。,超声波测物位,(c),(b),(a),几种超声波检测物位工作原理,设l为超声波换能器与被测液体容器底部距离，c为声速，t为超声波换能器发射超声波到接收到反射波的时间间隔，则可确定所测液位高度h为,液液超声波相界面传感器原理图，超声波探头安装于容器底部，a、b两种液体相界面在h处，超声波在a、b两种液体的传播速度为v1、v2，设超声波在液体a中传播并被相界面反射回来的往返时间为t1、超声波在液体a,b中传播并被液面反射回来的往返时间为t2，,超声波传感器应用举例,超声波传感器应用举例（续）,超声波流量传感器原理,超声波在流体中传播时，受到流体速度的影响而载有流速信息； 通过检测接收到的超声波信号可以测知流体流速，从而求得流体流量。 由于超声波在流体中的传播速度与流体流速有关。 传播速度法利用超声波在流体中顺流与逆流传播的速度变化来测量流体流速并进而求得流过管道的流量。,压电式超声波传感器,利用压电材料的压电效应原理来工作的。 发生器:利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。 当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。 接收器:利用正压电效应原理进行工作的。 当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。,石英晶体 压电陶瓷,超声波发生器,软件发生法 利用软件产生40khz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。 特点：充分利用软件，灵活性好， 注意：需要设计一个驱动电流100ma以上的驱动电路,超声波硬件发生法,利用超声波专业发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。优点：无需驱动电路 缺点：灵活性低。,单片机p1.0端口输出40khz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，上拉电阻r8、r9一方面可以提高反向器74ls04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。,超声波检测接收电路 cx20106a,红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。常用的载波频率38khz 与测距的40khz 较为相近，可以利用它来做接收电路。适当的改变c3 的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。 cx20106a 是日本索尼公司生产的红外解调集成电路，采用8 脚单列直插式塑料超小型封装，+5v 供电，内部含可前置放大、自动偏置、限幅放大、通带摅波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出等电路。,（1） 前置放大器：它是高增益的放大器，由于超声波在空气中直线传输时，传输距离越大，能量的衰减越厉害，故反射回来的超声波信号的幅值会有很大的变化。为了不使放大器的输出信号过强而产生失真，集成块内部有自动电平限制电路，对前置放大器的增益进行自动限制。通过反馈将放大器设定于适当的状态，再由限制电平电路进行自动控制。 （2） 限度放大器：当信号太强时为了防止放大器过载，限制高电平振幅， 同时也可消除寄生调幅干扰。 （3） 宽频带滤波器：其频率范围为30hz60hz，其中心频率可调。 （4） 检测器：将返回的超声波的包络解调回来。 （5） 积分滤波器与整形电路：检测器输出的信号经积分滤波器送到整形电路，输出较好的矩形波,（1） l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。 （2） 2脚：该脚与gnd之间连接rc串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻r或减小c，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但c的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为r=4.7，c=3.3f。 （3） 3脚：该脚与gnd之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。 （4） 4脚：接地端。 （5） 5脚：该脚与电源端vcc接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取r=200k时，fn42khz，若取r=220k，则中心频率f038khz,（6） 6脚： 该脚与gnd之间接入一个积分电容，标准值为330pf，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 （7） 7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。 （8） 8脚： 电源正极，4.5v5v。,超声波测距,空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。,超声波测流量,超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。 时差法测流量 相位差法测流量 (超声波角频率w有关，tw) 频率差法测流量,超声波测流体流量工作原理,超声波流量计现场使用,一、超声波流量计,f1发射的超声波先到达 t1,测量流量原理分类,时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（f1，t1）、（f2，t2），其中f1，t1的超声波是顺流传播的，而f2，t2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。,当f1按顺流方向、f2按逆流方向发射超声波时，超声波到达接收器t1和t2所需的时间t1和t2与流速之间的关系为 （4-5） 由于流体的流速相对声速而言很小，即c u，因此时差 （4-6） 而流体流速 （4-7）,频差法,频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。 超声波发射器向被测流体发射超声脉冲，接收器收到声脉冲并将其转换成电信号，经放大后再用此电信号去触发发射电路发射下一个声脉冲，不断重复，即任一个声脉冲都是由前一个接收信号脉冲所触发，形成“声循环”。 脉冲循环的周期主要是由流体中传播声脉冲的时间决定的，其倒数称为声循环频率（即重复频率）。,顺流时脉冲循环频率和逆流时脉冲循环频率分别为 （4-11） 顺流和逆流时的声脉冲循环频差为 （4-12） 所以流体流速 （4-13）,f1发射的超声波到达 f2的时间较短,频率差法测量流量原理： f1、f2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由f1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被f2接收，此信号经放大后再次触发f1的驱动电路，使f1发射第二个声脉冲 。紧接着，由f2发射超声脉冲，而f1作接收器，可以测得f1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得f2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频率差 f与被测流速v成正比 。,f2,f1,发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧,选用流量计应考虑的因素,选用流量计一般应从性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济因素五个方面进行选型。 1. 性能方面 流量计的性能主要有：准确度、重复性、线性度、范围度、流量范围、信号输出特性、响应时间、压力损失等。 2. 流体特性方面 流体特性方面主要考虑的有温度、压力、密度、粘度、化学腐蚀、磨蚀性、结垢、混相、相变、电导率、声速、导热系数、比热容等。,3. 安装条件方面 不同原理的测量方法对安装要求差异很大。 4. 环境条件方面 环境条件方面主要考虑的因素有环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道振动等。 5. 经济因素方面 经济方面只考虑流量计购置费是不全面的，还应调查其它费用，如附件购置费、安装费、维护和流量校准费、运行费和备件费等。,流量计选型的步骤,图4-31 流量计选型流程,超声波测厚,超声波测厚,双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度 ：,某超声波测厚仪指标 （参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）,显示方法128*32 lcd 点阵液晶显示（带背光） 显示位数：四位 测量范围：0.8200mm 示值精度：0.1mm 声速范围：1000 9999m/s 测量周期：2次/秒 自动关机时间：90秒 电源：二节七号（aaa）电池，可连续工作不少于72小时 使用温度：-10c 40c 存储温度：-20c 70c 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含电池）,超声波测厚,石料测厚,手持式超声波测厚仪,超声波测量液位和物位原理,在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。,超声波液位计原理,1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,从显示屏测得to=1.5ms,t1=6ms,已知水底到超声波探头的间距为10m，反射小板与探头的间距为0.5m,求液位h.,由于c=2h0/t0=2h1/t1 则：h0/t0=h1/t1 h1=t1*h0/t0=(6*0.5/1.5)m=2m h=h2-h1=10-2=2m,超声波测量液位和物位,喇叭形 超声发生器,超声波多普勒测量,多普勒效应,前进方向的频率升高,如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出f 就可得到运动速度。,超声波多普勒测量风速,风,风引起超声波的频率变大或变小,超声防盗报警器,图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率 f=40khz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移f。,超声波传感器应用举例（续）,质量检查,紧固件的安装错误检测,叠放高度测量,超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,物件放置错误检测,超声波传感器应用举例（续）,透明塑料张力控制,机械手定位,超声波传感器应用举例（续）,纸卷直径检测,超声波传感器 应用举例（续）,平整度测量,超声波传感器应用举例（续）,同侧式超声波流量计的使用,（参考北京菲波仪表有限公司资料）,超长距离检测,超声波传感器 应用举例（续）,流水线计数,超声波传感器 应用举例（续）,温度误差（补偿）,当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响,在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工