声敏传感器pptPPT演示课件

本章主要内容,声波的基本性质,声敏传感器,超声波传感器,1,一、声波的基本性质,机械振动在空气中的传播称为声波，更广泛地将物体振动发生的并能通过听觉产生印象的波都称为声波，因此，声波是一种机械波。传播声波的连续媒质可以看作由许多紧密相连的微小体积元dV组成的物质系统，体积元内的媒质可以当作集中在一点、质量等于的质点（为媒质的密度，是随时间和坐标变化的）。在平衡状态时系统可以用体积（或密度）、压强和温度等状态参数来描述，此时组成媒质的分子在不停地运动着，在时间t内体积元中流入的质量相同，即质量不变。,2,二、声敏传感器,声敏传感器是一种将在气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置，它用接触或非接触的方法检出信号。声敏传感器的种类很多，下面将介绍4种声敏传感器，包括：电阻变换型声敏传感器、压电声敏传感器、电容式声敏传感器（静电型）及音响传感器。,3,2.1电阻变换型声敏传感器,按照转换原理将这类传感器分为接触阻抗型和阻抗变换型两种。接触阻抗型声敏传感器的一个典型实例是碳粒式送话器，如下图为其工作原理图。,4,2.2压电声敏传感器,压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制成的。下图为压电传感器的结构图。,5,2.3电容式声敏传感器（静电型）,下图为电容式送话器的结构示意图。它由膜片、外壳及固定电极等组成，膜片为一片质轻而弹性好的金属薄片，它与固定电极组成一个间距很小的可变电容器。,6,2.4音响传感器,音响传感器包括：将声音载于通信网的电话话筒；将可听频带范围（20Hz20kHz）的声音真实地进行电变换的放音、录音话筒；从媒质所记录的信号还原成声音的各种传感器等。根据不同的工作原理（有电磁变换、静电变换、电阻变换和光电变换等），可制成多种音响传感器。下面主要介绍一下医用音响传感器。,7,医用音响传感器为了诊断疾病，常检测体内诸器官所发出的声音，如心脏的跳动声、心杂音、胎儿心脏的跳动声等。用于检测身体内所发出的各种声音的传感器有：心音计：检测向胸腔壁传播的心脏跳动声、心脏杂音的信号，并通过放大器和滤波器加以组合，就可获得胸部的特定部位随时间而变化的波形，根据波形就可进行诊断。心音导管尖端式传感器：它是将压力检测元件配置在心音导管端部的、小型的探头形的传感器，用于测定血压、检测心音和心杂音的发生部位。,8,三、超声波传感器,在超声波检测技术中，通过超声波仪器首先将超声波发射出去，然后再将接收回来的超声波变换成电信号，完成这些工作的装置称为超声波传感器。习惯上把发射部分和接收部分均称为超声波换能器，有时也称为超声波探头。利用超声波传感器可进行液位、流量、速度、浓度、厚度等测量，还可以进行材料的无损探伤。,9,1.1超声波的概念振动在弹性介质内的传播称为波动。声波是一种能在气体、液体、固体中传播的机械波。根据声波频率的范围，声波可分为声波、次声波和超声波。可闻声波：声波频率在20Hz-20kHz之间、能为人耳所闻的机械波；次声波：频率低于20Hz的机械波；超声波：频率高于20kHz的机械波。,10,1.超声波及其物理性质,如下图为声波的频率界限图。,11,次声波：次声波是频率低于20Hz的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7-8Hz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。,12,下图分别为可闻声波和超声波。可闻声波：美妙的音乐；超声波：蝙蝠能发出和听见超声波,且依靠其捕食。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。,13,超声波波长、频率与速度的关系为：超声波的特性是频率高、波长短、绕射现象小。它最显著的特性是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。,14,2.超声波的波形,由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波型也有所不同。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、液体和气体中传播。横波：质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播。表面波：质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面波随深度增加衰减很快，只能沿着固体的表面传播。因此，为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。,15,纵波,横波,表面波,16,3.超声波的传播速度,纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播纵波，气体中声速为344m/s，液体中声速为900-1900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系。通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90%。,17,4.超声波的反射和折射,当超声波在传播过程中，遇到两种不同介质的分界面时，一部分将被反射，另一部分将透射过界面，产生折射，并在另一介质中继续传播，如下图所示。反射：折射：,18,5.超声波的衰减,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。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：式中，P、I距离声源处的声压和声强。、声源处的声压和压强。,19,超声波在介质中传播，能量的衰减决定于超声波的扩散、散射和吸收。声波扩散引起的衰减在理想介质中，超声波的衰减仅来自于超声波的扩散。由于声波扩散能量逐渐分散，使单位面积内超声波的能量随传播距离的增加而减弱，并且声压强也随之减弱。散射引起的衰减声波在传播过程中遇到不同声阻抗介质组成的界面时，将产生散射，实际材料的金属结晶组织的不均性或界面的晶粒粗大引起的散射，使部分超声波能量以热能的形式损耗。,20,介质吸收引起的衰减由于介质的粘滞性而造成质点间的内摩擦，从而将消耗部分声能，并且介质的热传导及介质的稠密和稀疏部分之间的热交换都能导致声能的损耗。,21,1.2超声波对传播介质的作用超声波在介质中传播时，会对介质产生机械作用和热学作用。机械作用：超声波在传播过程中，会引起介质质点运动而使介质产生交替的压缩和伸张，从而对介质产生机械力作用。超声波引起的介质质点运动，虽然位移和速度都不大，但是质点的加速度与超声波的频率平方成正比，可以对介质产生强大的机械作用。热学作用：超声波在传播过程中，由于其振动，使介质产生强烈的同频振动，介质之间因振动产生互相摩擦而发热，从而使介质的温度升高。另外，超声波在介质中传播时，一部分能量被介质吸收，使介质温度升高。,22,1.3超声波传感器的工作原理要以超声波作为检测手段，必须能产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器。超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，以压电式最为常用。,23,压电式超声波传感器的工作原理压电式超声波发生器是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。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。,24,压电式超声波传感器的工作原理压电式超声波接收器是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。压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种用途。,25,如下图为压电式超声波传感器的结构示意图。典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成。,26,下图为各种超声波探头。,27,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。,28,1.4超声波传感器的应用1.超声波测厚应用超声波传感器测量金属零件的厚度，具有测量精度高、操作安全简单等优点。超声波测厚常用的是脉冲回波法。如下图12为脉冲回波法测厚原理图。工件厚度：,29,手持式超声波测厚仪,30,2.超声波测物位,存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位；固体颗粒、粉料、块料的高度或表面所在位置称为料位。两者统称为物位。超声波测量物位是根据超声波在两种介质的分界面上的反射特性而工作的。根据发射和接收换能器的功能，超声波物位传感器可分为单换能器和双换能器两种。单换能器在发射和接收超声波时均使用一个换能器，而双换能器对超声波的发射和接收各由一个换能器担任。,31,2.超声波测物位,超声波传感器可放置于水中，让超声波在液体中传播。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使产生的超声波脉冲幅度较小也可以传播。超声波传感器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播。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。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，利用这种方法可以实现对物位的测量。,32,如下图为超声波物位检测的工作原理图。,33,对于单换能器来说，超声波从发射到液面，又从液面反射回换能器的时间间隔为：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。对于双换能器来说，超声波从发射到被接收经过的路程为2s式中：s超声波反射点到换能器的距离a两换能器间距之半,34,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。超声波物位传感器具有精度高、使用寿命长、安装方便、不受被测介质影响、可实现危险场所的非接触连续测量等优点。其缺点是：如果液体中有气泡或是液面发生波动，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10-2104m。,35,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。,36,3.障碍物探测利用超声波检测汽车后面有无障碍物的装置为驾驶员倒车时提供了方便，其原理如下图所示。,37,4.超声波流量传感器,利用超声波测流量对被测流体并不产生附加阻力，测量结果不受流体物理和化学性质的影响。超声波在静止和流动流体中的传播速度是不同的，进而形成传播时间和相位上的变化，由此可求得流体的流速和流量。如下图为超声波测流量的原理图。,38,图中v为被测流体的平均流速，c为超声波在静止流体中的传播速度，为超声波传播方向与流体流动方向的夹角(必须小于90度)，A、B为两个超声波探头，L为两者之间的距离。超声波测流量的方法有：时差法、相位差法以及频率差法。所用方法的思路基本相同，本节主要讲解时差法和频率差法。时差法测流量当A为发射探头，B为接收探头时，超声波传播速度为，于是顺流传播时间为当B为发射探头，A为接受探头时，超声波传播速度为，于是逆流传播时间为：,39,时差为：由于cv，于是上式可近似为：流体的平均流速为：该测量方法精度取决于的测量精度，同时应注意c并不是常数，而是温度的函数。,40,频率差法当A为发射探头，B为接收探头时，超声波的重复频率为：当A为接收探头，B为发射探头时，超声波的重复频率为：频率差为：流体的平均流速为：当管道结构尺寸L和探头安装位置一定时，上式v直接与有关，而与c值无关。可见该法将能获得更高的测量精度。,41,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。,42,同侧式超声波流量计的使用,43,5.超声波无损探伤,超声波探伤分为穿透法探伤和反射法探伤。穿透法探伤穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。,44,该方法采用两个超声波换能器，分别置于被测工件相对两个表面，其中一个发射超声波，另一个接收超声波。发射超声波可以是连续波，也可以是脉冲信号。当被测工件内无缺陷时，接收到的超声波能量大，显示仪表指示值大；当工件内有缺陷时，部分能量被反射，因此接收到的超声波能量小，显示仪表指示值小。根据这个变化，即可检测出工件内部有无缺陷。反射法探伤反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。,45,A型超声探伤反射波形,裂纹,超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。,46,6.超声清洗,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