补充1超声传感器06.ppt

第A1章超声波传感器A 1超声波及其物理性质A 2超声波传感器A 3超声波传感器应用 图A 1声波的频率界限图 当超声波由一种介质入射到另一种介质时 由于在两种介质中传播速度不同 在介质界面上会产生反射 折射和波型转换等现象 A 1超声波及其物理性质 声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同 声波的波型也不同 通常有 纵波 质点振动方向与波的传播方向一致的波 它能在固体 液体和气体介质中传播 横波 只能在固体介质中 A 1 1超声波的波型及其传播速度 声波从一种介质传播到另一种介质 在两个介质的分界面上一部分声波被反射 另一部分透射过界面 在另一种介质内部继续传播 这样的两种情况称之为声波的反射和折射 如图A 2所示 图A 2超声波的反射和折射 A 1 2超声波的反射和折射 当波在界面处产生折射时 入射角 的正弦与折射角 的正弦之比 等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比 即 设 0为临界入射角 当 0时 90 则当 0时 则只产生反射波 超声波由液体进入固体的临界入射角 0 15 当入射角 15 时 只产生反射 声波在介质中传播时 随着传播距离的增加 能量逐渐衰减 其衰减的程度与声波的扩散 散射及吸收等因素有关 其声强的衰减规律为 式中 d为介质的厚度 A为介质对超声波能量的吸收系数 A 1 3超声波的衰减 声波在介质中传播时 能量的衰减决定于声波的扩散 散射和吸收 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 散射衰减是指超声波在介质中传播时 固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射 其中一部分声能不再沿原来传播方向运动 而形成散射 吸收衰减是由于介质粘滞性 使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦 从而使一部分声能转换为热能 通过热传导进行热交换 导致声能的损耗 A 2超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器 探测器或传感器 超声波探头按其工作原理可分为压电式 磁致伸缩式 电磁式等 其中以压电式最为常用 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷 这种传感器统称为压电式超声波探头 它是利用压电材料的压电效应来工作的 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动 从而产生超声波 可作为发射探头 而正压电效应是将超声振动波转换成电信号 可作为接收探头 超声波探头结构如图A 3所示 它主要由压电晶片 吸收块 阻尼块 保护膜 引线等组成 图A 3压电式超声波传感器结构 磁致伸缩超声波发生器 铁磁性物质在交变的磁场中 在顺着磁场方向产生伸缩的现象 叫做磁致伸缩效应磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中 使它产生机械尺寸的交替变化 机械振动 产生超声波磁致伸缩超声波发生器只能在几万Hz的频率范围以内 超声波的接收当超声波作用到压电晶体片上时 使晶片伸缩 则在晶片的两个界面上产生交变电荷 这种电荷先被转换成电压 经过放大后送到测量电路 最后记录或显示出结果 它的结构和超声波发生器基本相同 有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器 磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的 当超声波作用到磁致伸缩材料上时 使磁致材料伸缩 引起它的内部磁场 即导磁特性 的变化 根据电磁感应 磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势 并将此电动势送到测量电路及记录显示设备 它的结构也与发生器差不多 A 3超声波传感器应用 A 3 1超声波物位传感器 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 根据发射和接收换能器的功能 传感器又可分为单换能器和双换能器 单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器 而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任 a 超声波在液体中传播 b 超声波在空气中传播 A 3 2超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定方法是多样的 如传播速度变化法 波速移动法 多卜勒效应法 流动听声法等 但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法 超声波在流体中传播时 在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的 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 采用测量两接收探头上超声波传播的时间差 t 相位差 或频率差 f等方法 可测量出流体的平均速度及流量 两个超声波传感器 它们既可以发射超声波又可以接收超声波 一个装在上游 一个装在下游 其距离为L 如图A 5所示 如设顺流方向的传播时间为t1 逆流方向的传播时间为t2 流体静止时的超声波传播速度为c 流体流动速度为v 则 一般来说 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度 因此超声波传播时间差为 由于c v 从上式便可得到流体的流速 即 探头安装 超声流量计的最大特点是 探头可装在被测管道的外壁 实现非接触测量 即不干扰流场 又不受流场参数的影响 其输出与流量基本上成线性关系 精度一般可达 1 其价格不随管道直径的增大