超声传感器zqj.ppt

声波 1 定义或解释 在弹性媒质中传播的一种机械波叫做声波 声波是一种纵波 2 说明 传播声波的媒质 可以是气体 也可以是液体或固体 但在不同的媒质里传播的速度是不同的 而且波速也跟温度有关 人耳能听到的声音的频率在20Hz到20000Hz之间 超声波与次声源 超声波是一种频率高于人的可听声波频率范围的声波 频率高于20000Hz 人类听不出超声波 但不少动物却有此本领 如蝙蝠 超声波的特点 1 超声波在传播时 方向性强 能量易于集中 2 超声波能在各种不同媒质中传播 且可传播足够远的距离 3 超声与传声媒质的相互作用适中 易于携带有关传声媒质状态的信息 诊断或对传声媒质产生效应 治疗 声波的特性 折射 当声波从一种介质向另一种介质入射时 除反射 声波能量一般还会从第一介质向第二介质穿透 即出现折射现象 衍射 当障碍物的直径等于或小于 2 超声波将绕过该障碍物而继续前进 这种现象称为衍射或绕射 声波的特性 声波的特性 散射 超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物 声波将使其成为新的声源 使得声波能量向四面八方发射 红细胞是一种散射体 声压 所谓声压 是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值 单位为Pa 1Pa 1N m2 空气密度变化 声强 声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量 单位为W m2 声功率 声功率 W 是声源在单位时间内发射出的总能量 单位是W 超声波的衰减 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 其声压和声强的衰减规律为 式中 Px Ix 距声源x处的声压和声强 x 声波与声源间的距离 衰减系数 单位为Np cm 奈培 厘米 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 受体超声效应 机械效应 空化作用 热效应 化学效应 超声波的产生与传播和接收 换能器 1 压电效应 某些固体物质 在压力 或拉力 的作用下产生形变 从而使物质本身极化 在物体相对的表面出现正 负束缚电荷 这一效应称为压电效应 其物理机理如图1 1所示 通常具有压电效应的物质同时也具有逆压电效应 即当对施加电压后会发生变形 超声波探头利用逆压电效应产生超声波 而利用压电效应接收超声波 石英晶体结构 拉力作用下的极化 晶体的宏观极化 图1 1石英晶体的压电效应 专题实验 a 晶体振动 b 脉冲波 图1 2脉冲超声波的产生 压 则晶片发生弹性形变 随后发生自由振动 并在晶片厚度方向形成驻波 如图1 2 a 所示 如果晶片的两侧存在其它弹性介质 则会向两侧发射弹性波 波的频率与晶片的材料和厚度有关 2 脉冲超声波的产生及其特点 用于产生和接收超声波的材料一般被制成片状 晶片 并在其正反两面镀上导电层 如镀银层 作为正负电极 如果在电极两端施加一脉冲电 适当选择晶片的厚度 使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内 则该晶片即可产生超声波 在晶片的振动过程中 由于能量的减少 其振幅也逐渐减小 因此它发射出的是一个超声波波包 称为脉冲波 如图1 2 b 所示 专题实验 如果片内部质点的振动方向垂直于晶片平面 那么晶片向外发射的就是超声波 超声波在介质中传播可以有不同形式 它取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波 通常有如下三种 纵波波型 当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时 此超声波为纵波波型 任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波 横波波型 当介质中质点的振动方向与超声波垂直时 此种超声波为横波波型 由于固体介质除了能承受体积变形外 还能够承受切变变形 当其中剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波 横波只能在固体介质中传播 3 超声波波型及换能器种类 表面波波型 是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波 表 面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于横波的横波合成 振动质点的轨迹为一椭圆 在距表面1 4波长深处振幅最强 随着深度的增加很快率减 实际上离表面一个波长以上的地方 质点振动的振幅已经很微弱了 专题实验 a b 1 外壳2 晶片3 吸收背衬4 电极接线5 匹配电感6 接插头7a 保护膜7b 斜楔 图1 3直探头和斜探头的基本结构 a 直探头 b 斜探头 图1 4可变角探头示意图 常用的超声波探头有直探头和斜探头两种 其结构如图1 3所示 探头通过保护膜或斜楔向外发射超声波 吸收背衬的作用是吸收晶片向背面发射的声波 以减少杂波 匹配电感的作用是调整脉冲波的波形 一般 直探头产生纵波 斜探头产生横波或表面波 另一种可变角探头 如图1 4所示 其中探头芯可以旋转 通过改变探头的入射角 得到不同折射角的斜探头 当 0时成为直探头 超声波传感器对 磁致伸缩式超声波传感器 磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的 磁致伸缩式超声波发生器是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即机械振动 从而产生出超声波 磁致伸缩式超声波接收器的原理是 当超声波作用在磁致伸缩材料上时 引起材料伸缩 从而导致它的内部磁场 即导磁特性 发生改变 根据电磁感应 磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势 此电势送到测量电路 最后记录或显示出来 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 石英 和压电陶瓷 钛酸钡 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所示 它主要由压电晶片 吸收块 阻尼块 保护膜 引线等组成 压电晶片多为圆板形 厚度为 超声波频率f与其厚度 成反比 压电晶片的两面镀有银层 作导电的极板 阻尼块的作用是降低晶片的机械品质 衰减自由振荡 吸收声能量 如果没有阻尼块 当激励的电脉冲信号停止时 晶片将会继续振荡 加长超声波的脉冲宽度 使分辨率变差 压电式超声波传感器结构 超声波传感器应用 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 下图给出了几种超声物位传感器的结构示意图 超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中 让超声波在液体介质中传播 如图 a 所示 由于超声波在液体中衰减比较小 同声音 所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播 超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方 让超声波在空气中传播 如图 b 所示 这种方式便于安装和维修 但超声波在空气中的衰减比较厉害 几种超声物位传感器的结构原理示意图 a 超声波在液体中传播 b 超声波在空气中传播 对于单换能器来说 超声波从发射器到液面 又从液面反射到换能器的时间为 则 式中 h 换能器距液面的距离 c 超声波在介质中传播的速度 对于如图所示双换能器 超声波从发射到接收经过的路程为2s 而 因此液位高度为 式中 s 超声波从反射点到换能器的距离 a 两换能器间距之半 从以上公式中可以看出 只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔 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 但若液体中有气泡或液面发生波动 便会产生较大的误差 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 2 104m 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 如果在流体中设置两个超声波传感器 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 如下图所示 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 超声波测流量原理图 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 超声波传感器安装位置 此时超声波的传输时间将由下式确定 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点 可测的流体种类很多 不论是非导电的流体 高粘度的流体 还是浆状流体 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 还适用于下水道 农业灌渠 河流等流速的测量 案例 输油管检测检测机器人 超声波检测传感器 倒车雷达 超声波检测传感器 鱼群探测器 超声波检测传感器 超声波传感器的应用 脉冲回波法检测厚度工作原理 超声波测厚 超声波探伤原理超声波探伤 是利用超声波通过两种介质的界面时发生反射和折射的特性来探测零件内部的缺陷 超声波探伤方法按波的传播方式分为脉冲反射波法和透射波法 脉冲反射波法是利用脉冲发生器发出的电脉冲激励探头晶体产生超声脉冲波 超声波以一定的速度向零件内部传播 遇到缺陷的波发生反射 得到缺陷波 其余的波则继续传播至零件底面后发生反射 得到底波 探头接收发射波 缺陷波和底波 放大后显示在荧光屏上 超声波探伤常用频率在0 4一5MHz之间 较低频率用于检测粗晶材料和衰减较大的材料较高频率用于检测细晶材料和要求高灵敏度处 特殊要求的检测频率可达10一5OMHz 换能器换能器主要由压电晶体组成 利用石英 钛酸钡的正压电效应产生超声披 逆压电效应接收超声波 压电晶体在交变电压作用下 在晶体厚度方向产生伸缩变形 产生与交变电压频率相同的机械振动 即产生超声波 当把高频振动 超声波 作用在晶体上 在晶体的两个电极之间产生与超声波频率相同 强度与超声波成正比的高频电压 即接收超声波 依结构和使用波型不同探头分为直探