超声波传感器.ppt

5.9超声波传感器,一、超声波及其物理性质,波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播。声波：其频率在2020KHz之间，能为人耳所闻的机械波.次声波：低于20Hz的机械波超声波：高于20KHz的机械波微波：频率在310831011Hz之间的波,1、超声波的基本概念,图5.72声波频率的界化分示意图,2、超声波的特点:,指向性好,能量大,固体的穿越本领大,在遇到介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时,能产生发射、折射和波形转换等现象.,3、超声波传感器应用举例,主要用于超声波无损探伤、厚度测量、流量测量、超声显微镜及超声成像。,3、超声波传感器应用举例,质量检查,紧固件的安装错误检测,叠放高度测量,3、超声波传感器应用举例,物件放置错误检测,3、超声波传感器应用举例,纸卷直径检测,3、超声波传感器应用举例,流水线计数,3、超声波传感器应用举例,4、超声波的物理性质,超声波的波型超声波的的声速、波长和指向性超声波的反射和折射超声波的衰减,超声波的波型：,纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波。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，称为横波。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，称为表面波。,测量时多采用纵波,振动方向和波的传播方向一致。能在固体、液体和气体中传播。,振动方向和波的传播方向垂直。只能在固体中传播。,表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播。,超声波的声速、波长和指向性：,纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数、介质密度及声阻抗。气体和液体中只能传播纵波，其中气体中的声速为344m/s，液体中声速在9001900m/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。,(1)声速,表7-1常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0）,超声波的声速、波长和指向性：,超声波的波长和频率f的乘积恒等于声速c,(2)波长,超声波的声速、波长和指向性：,超声波声源发出的超声波速以一定角度逐渐向外扩散.指向角与超声波直径D以及波长之间的关系为:,(3)指向性,例5.1,设超声源的直径D=20mm,射入钢板的超声波频率为5MHZ,求指向角。,可见:超声波波源的指向性是十分尖锐的.,超声波的反射和折射,图5.74超声波的反射和折射,超声波的各种波型都符合发射和折射定律。,当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射和折射外，还发生横波的反射和折射。某种情况下，还能产生表面波。,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。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：,式中:,、,声波在距声源x处的声压和声强；,声波在声源处的声压和声强；,声波与声源间的距离；,衰减系数。,超声波传感器习惯上称超声波换能器，或超声波探头。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。超声波传感器有发送器和接收器。专用型：发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波。兼用型：发送接受为同一部件。,二、超声波探头及耦合技术,1、超声波探头,2、超声波探头工作原理：,超声波探头的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式。检测中常采用压电式。工作原理：逆压电效应将高频振动转换为高频机械振动，产生超声波，作发射探头。利用压电效应将接收到的超声振动转换成电压信号，作为接收探头。,（1）超声波发生器原理,电致伸缩效应：,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，如图所示。,压电材料的固有频率：,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。共振压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。,（2）超声波接收器原理,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。,压电晶体,超声波,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,（）、单晶直探头（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,单晶直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波，提高分辨率,防止压电晶片磨损,工件,单晶直探头的发射和接受处于分时工作，用电子开关来切换。,（2）、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：4570,（3）、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,各种接触式斜探头,常用频率范围：15MHz,（4）、聚焦探头,由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。,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。,超声波探头中的压电陶瓷芯片,（3）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。,三、超声波传感器的应用,超声波测厚超声波测物位超声波测流量超声波探伤,1、超声波测厚,图5.77脉冲回波法检测厚度方框图,脉冲回波法,优点:量程大,无损,便鞋;缺点:测量精度与材料的材质有关,对于声衰很大的材料以及表面凹凸不平或形状很不规则的零件，测厚比较困难。,手持式超声波测厚仪,2、超声波测物位,(d),(c),(b),(a),图5.78几种超声波检测物位的结构示意图,超声波液位计原理图1液面2直管3空气超声探头4反射小板5电子开关,例7-1超声波液位计原理如图所示，从显示屏上测得t0=2ms，th1=5.6ms。已知水底与超声探头的间距为10m，反射小板与探头的间距为0.34m，求液位h。,解由于所以有=（5.60.34/2）m=0.95m所以液位h为:h=h2-h1=（10-0.95）m=9.05m,t0=2ms，th1=5.6ms水底与超声探头的间距为10m，反射小板与探头的间距为0.34m,由于空气中的声速随温度改变会造成温漂，所以在传送路径中还设置了一个反射性良好的小板作标准参照物，以便计算修正。上述方法除了可以测量液位外，也可以测量粉体和粒状体的物位,3、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。,图5.80超声波测流体流量工作原理,超声波传输时间差法,F1发射的超声波先到达T1,实际安装位置：,测量流量原理,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。,在t1、t2时间内，分别对频率为f0的脉冲进行计数，记得脉冲数为N1、N2：,超声波流量计现场使用,4、超声波探伤,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。它用两探头分别放置在被测工件两侧，一个发射超声波，另一个接收超声波。当工件内部有缺陷时，则会有部分能量被反射，接收到的能量减小；而无缺陷时，接收能量最大。根据接收能量的大小即可判断工件内部是否存在缺损。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。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。,穿透法探伤,优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。,图穿透法探伤原理,一次脉冲反射法,图一次脉冲反射法探伤原理,多次脉冲反射法,图多次脉冲反射法探伤原理,设探头发射的是脉冲波，以一定速度在工件内传播，遇到缺损（F）部位，一部分超声波会反射回来，另一部分则继续传播至工件底部（B）之后再反射回来。由缺损（F）和底面（B）反射回来的超声波又被探头所接收，变为电脉冲。发射波（T）、缺损波（F）及底波（B）这三类波经放大送至荧光屏显示出来，据此可以进一步分析是否存在缺损，以及缺损的位置、性质。当缺损面积大于声束面积时，声波全部由缺损处反射回来，荧光屏上只有发射波（T）和缺损波（F），没有底波（B）；当工件完好时，荧光屏上只有发射波（T）和底波（B），没有缺损反射波（F）。,荧光屏上的水平亮线为扫描线（时间基线），其长度与工件的厚度成正比（可调整）。1.缺陷面积大，则缺陷脉冲F脉冲的幅度就高，而B脉冲的幅度就低。2.F脉冲距离T脉冲越近，缺陷距离表面经越近。,例,上图中，显示器的X轴为10s/div(格)，现测得B波与T波的距离为10格，F波与T波的距离为3.5格。求：1）t及tF；2）钢板的厚度及缺陷与表面的距离xF。,解1）t=10s/div10div=100s=0.1ms，tF=10s/div3.5div=35s=0.035ms2）查表7-1得到纵波在钢板中的声速c=5.9103m/s则：=tcL/2=（5.91030.110-3/2）m0.3mxF=tcF/2=（5.91030.03510-3/2）m0.1m,通过检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，通过测量回波时间T利用公式S=V*(T/2),其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T=T1+T2）便可计算出距离。,图1测距的原理,一、设计思路：,超声波测距系统框图,超声波发射和接收时差,C=331.45+0.61（米/秒）为测出的温度。,声波在介质中的传播速度与介质的密度有关，而密度是温度压力的函数.因此，当温度变化时，声速成也要发生变化，而且影响比较大，使得测量结果难以精确。因而必须采取补偿措施,测距仪通过单片机编程送出40kHz的方波信号至信号处理器,经过压电换能器将信号发射出去,该信号遇到障碍物则反射回来（在此称为回波）。这时,压电换能器将接收的回波,通过信号处理的检波放大、整形及一系列常见电路的处理,最后送至单片机中断口，单片机通过中断控制得出超声波在空气中的传播时间t，最后根据公式s=vt/2便可得出测量结果(v为声速)，单片机将测量结果通过4位七段数码管显示。,二、硬件设计：,编程由单片机IO口端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT4016T以声波形式发射到空气中。图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。,二、硬件设计：,CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片。由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz比较接近，而且其内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为3060kHz。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。,工作过程如下：接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到AT89S52的INT0引脚上，以触发中断。