传感器原理及应用第8章 超声波传感器

第八章 超声波传感器,超声波技术 超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波的物理性质 超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波传感器的应用 超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜、超声成像等。,8.1 超声波及其物理性质8.2 超声波传感器8.3 超声波传感器的应用,第八章 超声波传感器,一、超声波的基本概念,8.1 超声波及其物理性质,声波的频率界限图,次声波： 低于16Hz的机械波。次声波人耳听不到，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。,二、超声波的分类,8.1 超声波及其物理性质,可闻声波：美妙的音乐可使人陶醉。,超声波：蝙蝠能发出和听见超声波。,二、超声波的分类,8.1 超声波及其物理性质,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,根据声波在介质中施力方向与波在介质中传播方向，声波的波型主要分三类：,三、超声波的波型,8.1 超声波及其物理性质,（1）纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波。（2）横波质点振动方向垂直于传播方向的波。（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。,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。,三、超声波的波型,8.1 超声波及其物理性质,表面波,四、声速、波长与指向性,8.1 超声波及其物理性质,四、声速、波长与指向性,8.1 超声波及其物理性质,常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0）,（3）指向性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。,四、声速、波长与指向性,8.1 超声波及其物理性质,1超声源 2轴线3指向角 4等强度线,超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力 。,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。,五、超声波的反射和折射,8.1 超声波及其物理性质,（1）反射定律当波速一致时,（2）折射定律,c1入射声波速；c2折射声波速,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。 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延着原来传播方向运动，而形成散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，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。,六、超声波的衰减,8.1 超声波及其物理性质,8.1 超声波及其物理性质8.2 超声波传感器8.3 超声波传感器的应用,第八章 超声波传感器,能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探头。,一、超声波传感器原理,8.2 超声波传感器,定义,分类,压电式和磁致伸缩式，其中以压电式最为常用。,材料,压电晶体和压电陶瓷。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,超声波发生器将电磁能转换成机械能。结构分为两部分：一是产生高频电流或电压的电源；二是换能器，它将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波。,二、超声波发生器,8.2 超声波传感器,压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强压电效应换能器可产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。,超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应。压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的，它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。,三、超声波接收器,8.2 超声波传感器,8.2 超声波传感器,压电式超声波传感器结构,8.2 超声波传感器,常用频率范围：0.5-10MHz，常见晶片直径：5-30mm,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,8.2 超声波传感器,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。,超声波探头中的压电陶瓷芯片,8.1 超声波及其物理性质8.2 超声波传感器8.3 超声波传感器的应用,第八章 超声波传感器,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。,一、超声波物位传感器,8.3 超声波传感器的应用,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均使用一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。,单换能器,一、超声波物位传感器,8.3 超声波传感器的应用,双换能器,超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点, 但若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。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10-2104 m。,超声波传输时间差法（超声波传播速度变化法） 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。,二、超声波流量传感器,8.3 超声波传感器的应用,超声波传输时间差法（超声波传播速度变化法）,二、超声波流量传感器,8.3 超声波传感器的应用,一般来说, 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 那么超声波传播时间差为：,超声波传输时间差法（超声波传播速度变化法）,二、超声波流量传感器,8.3 超声波传感器的应用,在实际应用中, 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路内流动的流体带来影响。,超声波传输时间差法（超声波传播速度变化法）,二、超声波流量传感器,8.3 超声波传感器的应用,在实际应用中, 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路内流动的流体带来影响。,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。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。,超声波传输时间差法（超声波传播速度变化法）,二、超声波流量传感器,8.3 超声波传感器的应用,超声波流量计,超声波在医学检查中的应用,三、其他领域应用,8.3 超声波传感器的应用,超声波用于高效清洗,三、其他领域应用,8.3 超声波传感器的应用,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。,超声波用于高效清洗,三、其他领域应用,8.3 超声波传感器的应用,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,超声波倒车雷达,三、其他领域应用,8.3 超声波传感器的应用,选用封闭型的发射超声波传感器和接收超声波传感器安装在汽车尾部的侧角处，接入电路即可装配成一个汽车倒车尾部防撞探测器。,质量检查,三、其他领域应用,8.3 超声波传感器的应用,紧固件的安装错误检测,叠放高度测量,三、其他领域应用,8.3 超声波传感器的应用,机械手定位,纸卷直径检测,三、其他领域应用,8.3 超声波传感器的应用,平整度测量,流水线计数,三、其他领域应用,8.3 超声波传感器的应用,平整度测量,超声波多普勒测量车速,三、其他领域应用,8.3 超声波传感器的应用,超声波手持式测厚,三、其他领域应用,8.3 超