超声波传感器概述

1、超声波传感器概述姓名：韩旭学号：131221047班级：13级电气（三）班摘要：人能听见声音的频率为20HZ-20KHZ，即为可听声波，20HZ以下的声音称为次声波，超出20KHZ以上的声波为超声波。超声技术是通过超声波产生、传输及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率具有潜在能力。因此，我国对超声技术和超声波传感器的研究十分活跃。参考文献：现代传感技术与系统林玉池、曾周末主编-北京：机械工业出版社2009.6 I版工业常用传感器选型指南曲波、肖胜兵、吕建平编著北京：清华大学出版社.I

2、版生物医学传感技术（加拿大）Iniewski等著：陈星、刘清君、王平译北京：机械工业出版社.2014.9一、声波的多普勒效应当声波和观察者（或声波接收器）在连续介质中相对运动是观察者接收到声波频率与声源发生的频率不同，两者靠近时频率升高，远离时频率降低，这种现象称为声音的多普勒效应。当声源和观测者分别以速度Vs和Vo运动时，并且运动方向在同一条直线上，则观察者接收到的声波频率为f为.f=(VVo/-VVs)*f1式中，f1为声源振动频率；V为介质中的声速；当观察者向着声源运动时，Vo取“+”，反之取“”；声源向着观察者运动时，Vs取“”，反之取“+”。利用声波的多普勒效应可以制成超声波传感器，

3、用以检查人体活动器官（如心脏，血管）的活动等。二、超声波与超声波传感器2.1超声波的特性超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹-30兆赫兹。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振

4、动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，可以对物品进行杀菌消毒。2.1.1超声波的基本特性超声波具有以下四个基本特性： 射特性：超声波波长段，发散性能较弱

5、，可以近似集中成一束射线； 吸收特性：超声波在空气、液体和固体中均会被吸收。空气中的吸收最强烈，固体中的吸收微弱； 高功率：由于频率高，超声波的功率比声波大得多，它不仅能使所通过的介质产生急速运动，甚至会破坏其分子结构；声压作用：超声波振动使物质分子产生压缩和稀疏作用，这种由于声波振动引起的附加压力现象叫声压现象。2.1.2超声波在介质中传输导致的效应上述基本特性使超声波在媒体中产生如下效应：机械效应、热学效应、空化效应、声流效应和生物学效应。基于以上特性，超声波在工业、农业、国防、医药卫生和科学研究等方面得到广泛的应用。2.1.3超声波的波型及其转换超声波的波型、转换方式以及传输速度等方面同

6、声波一致。 波型：由于声源在介质中的施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波型也不同。通常有纵波，能在固体、液体和气体中传播；横波，只能在固体中传播；表面波，质点的振动介于纵波和横波之间，质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向），只沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。 波型转换：当纵波以某一角度入射到第二种固体介质的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还发生横波的反射及折射。在某种情况下，还能产生表面波，各种波型都符合反射及折射定律。 传播速度：纵波、横波以及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及密度。由于气体和液体的剪切模量为零，所以超声波在气体和液

7、体中没有横波，只能传播纵波。气体中的声速为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有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一般，表面波声速约为横波声速的90%。2.1.4声波在介质中的衰减特性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为：Px=Po*e(-ax),Ix=Io*e(-2ax)式中，Px,Ix为平面波在x处的声压和声强；Po,Io为平面波在x=0处的声压和声强；a为衰减系数。声波能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想的介质中声波的衰减仅仅来自声波的扩散，随着声波传播距离的增加，在单位面积内声

8、能会减弱。散射衰减指声波在介质的导热性、黏滞性及弹性滞后等因素造成的，如介质吸收声能并转换为热能，吸收随声波频率的升高而增高。因此，衰减系数a因介质材料的性质而异，晶粒越粗、频率越高衰减愈大，衰减系数往往会限制最大探测厚度。2.2超声波传感器以超声波作为检测手段，必须有能产生和接收超声波功能的装置，这个人装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等。在检测技术中最常用的是压电式超声波探头。压电式超声波传感器的敏感元件一般用压电晶体，可发射和也可接收超声波。超声波传感器因其结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探

9、头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。1. 直探头直探头有压电晶片、吸收块和保护膜组成，基本结构如图所示。压电晶片多为圆片形，其厚度与超声波频率成反比，直径与半扩散角成反比。晶片的两面镀有银层，作为导电极板。为避免晶片磨损，通常黏有硬质材料作为保护膜。吸收块用钨粉、环氧树脂和固化剂等浇注，可吸收声能，降低机械品质因素，从而可限制脉冲宽度、减小盲区和提高分辨能力。2斜探头斜探头可发射和接收横波，主要有压电晶片、吸收块和斜楔块组成，其结构如图所示。晶片产生纵波，经斜楔块倾斜入射到被检工件中转换为横波。若斜楔为有机玻璃，工件为钢，斜探头的入射角在28-61之间时，在钢中可产生横波。

10、斜楔块形状的设计应在使超声在斜楔块中传播时不得返回晶片，以免出现杂波。斜探头折射角的正切值称为斜探头的K值。斜探头角度规格是按K值为简单数值而系列化的，如K等于1,1.5,2,2.5，。利用K值在探伤中进行缺陷定位、定量计量十分简便。3.可变角探头可变角探头可以连续改变入射角，以产生纵波、横波、表面波和板波，其结构如图所示。使用时可根据需要调整角度，以产生不同的波型。4.双晶探头双晶探头又称为组合式或分割式探头。两块压电晶片装在一个探头架内，一个晶片发射，另一个晶片接受。它们发射和接受纵波，其结构如图所示。晶片下的延迟块（有机玻璃或环氧树脂）使声波延迟一段时间后射入工件，从而可检测近表面缺陷，

11、减小了盲区，并可提高分辨力。两晶片之间用隔声层分开，晶片间的倾角通常为3-8。两晶片声场的重叠部分是检测灵敏度的最高区域，此区域一般呈菱形。5.水浸探头的结构与直探头相似，但不需要保护膜。由于结构密封，它可浸在水中探伤，通常用水耦合。其结构如图所示。6.聚焦探头聚焦探头可将超声波聚焦成细束（线状或点状），在焦点处声能集中，可提高检测灵敏度和分辨力。聚焦探头发射纵波，在水浸法探伤中，调整入射角可在工件中产生横波、表面波或兰姆波。超声波的聚焦有两种方法，一种将压电晶片做成凹面，发射的声波直接聚焦；另一种是用透镜的方法将声束聚焦。实际上应用后一种方法较多。点聚焦探头灵敏度高，探伤速度慢；线聚焦探头灵

12、敏度低一些，但增大了扫盲面积。接触式聚焦探头已投入使用。主要有三种类型，即球面振子式点聚焦斜探头、反射式点聚焦斜探头和透镜式点聚焦斜探头。近年来对探头的研制发展很快，目前已能分辨出0.250.15mm板厚的多次反射波。还研制了纵波斜探头、分隔式斜探头、频率可变探头、多频探头、喷水探头和各种专业探头等。在高温检测方面，研制了铌酸锂高温探头和非接触式电磁高温探头等，可在700下进行检测。2.3超声波传感器的工作原理超声波能直线传播，频率越高，绕线能力越弱，但反射能力越强，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播速度较慢，约为340m/s。超声波传感器的敏感元件多用压电晶体

13、，依据的原理是压电效应。敏感元件从结构上分为两种：一种既有发送元件也有接受元件；另一种敏感元件同时具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。它们构成的传感器分别称为专用型和兼用型超声波传感器。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。压电效应有逆效应和顺效应，超声波发送器就是利用逆压电效应的原理工作的。逆效应如图所示，在压电元件上施加交变电压，元件变形，即应变。若在图（）所示的已极化的压电陶瓷上施加图（）所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加电压的极性变反，如图（）所示那

14、样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。这种现象叫电致伸缩。由于敏感元件的伸缩，引起介质的振动，形成声波。如图（一）所示是超声波传感器的结构图。它采用双晶振子，即把双压电片以相反极化方向黏在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，分别用引线接到两个电极上。双晶振子为正方形，正方形的左右两边有圆弧形凸起部分支撑着，这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，高效率地发送超声波。接收超声波是，超声波的震动集中于振子的中心，产生高频电压。如图（二）所示是双晶振子超声波传感器的工作原理示意图。若在双晶振子

15、上施加的高频电压，根据逆压电效应，压电陶瓷片、就随所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就发送频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，送给超声波接收器。图（二）接收器中也有与发射器结构相同的双晶振子，若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，由于压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就产生压电效应，一面产生正电荷，另一方面产生负电荷；于是。就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压非常小，要用放大器进行放大。2.超声波传感器的分类2.4.1通用性超声波传感器超声波传感器的贷款一般为几千赫兹，并有选频特性。如图列出（接收传感器）与（发送传感器）的频率特性。开路时

16、，传感器输出电压较高，但阻抗也高，易受噪声的影响，通常要接入几千欧姆到几百千欧姆的电阻。通用型超声波传感器的频带窄，但灵敏度较高，抗干扰性强。它的接收传感器与发送传感器是分开使用的。2.4.2宽带性超声波传感器在多通道中使用时，采用宽频带传感器较为方便，宽带型超声波传感器在工作带宽内具有两个谐振频率。如图表示MA23L3(发送接收共用)传感器的频率特性。由图可见，其频率特性就相当于两种传感器的组合。因此，在很宽频带范围内，具有较高的灵敏度。因为宽带传感器具有两个谐振点，所以，一个传感器可兼作接收传感器与发送传感器。2.4.3密封型超声波传感器密封型超声波传感器对环境的适应性较强，可应用于汽车后

17、方检测物体的装置及待时计算器等。如图为MA40E1R（接收）与MA40E1S（发送）传感器的频率特性。2.4.4高频性超声波传感器如下图表示MA200A1（发送与接收共用）传感器的规格，其中心频率高达200KHZ，可以进行较高分辨率的测量。由图可知传感器的方向性，它的反射角较窄。2.5超声波传感器的应用超声波传感器应用较广泛，例如追中通信装置、各种防盗装置、超声波探伤仪、超声波测厚仪、超声波物位仪流量计、超声波洗涤机、超声波加湿器、超声波治疗仪、驱虫装置、超方向性喇叭等。2.5.1超声波测厚用超声波测量金属零件的厚度，具有测量精度高、操作简单、可连续自动检测等优点。超声波测厚常用脉冲回波法。此

18、方法的工作原理如图所示。超声波探头与被测物体表面接触，主控制器用一定频率的脉冲信号激励压电式探头，使之产生重复的超声波脉冲。脉冲被传到被测工件另一方面时被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速c是已知的，设工件厚度为d，脉冲波被从发射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度为2.5.2超声波测物位将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，二者统称为物位。超声波测物位属于非接触连续测量，安装方便，不受被测介质影响。在物位仪表中越来越受到重视。如图示为脉冲回波式测量液位的工作原理图。探头发出的超声波脉冲通过介质到达液面，

19、经液面发射后又被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求探头与液面之间的距离。根据传声介质和使用探头数量的不同，可以分为（a）单探头液介式，（b）单探头气介式，（c）单探头固介式，（d）双探头液介式等数种。有时需要知道液面是否升到或降到某个或几个固定高度，可采用如图所示的超声波定点式液位计，实现定点报警或液面控制。图（a）、（b）为连续波阻抗式液位计示意图。由于气体和液体的声抗差别很大，当探头发射面分别于气体或液体接触时，发射电路中通过的电流也就明显不同。因此利用一个超声波探头，就能通过指示仪表判断出探头前是气体还是液体。图（c）、（d）为连续波透射式液位计示意图。

20、图中相对安装的两个探头之间有液体时，接收探头才能接收到透射波。由此可判断出液面是否达到探头的高度。2.5.3超声波测流量超声流量计的形式有七八种，但在工业上常用的主要有两种，一种是传播时间差式，一种是多普勒式，这两种流量计都用于液体。基于传播时间差原理的流量计可用于干净的液体，对于含有微粒的液体则可采用多普勒反射式流量计，这是因为信号反射正需要微粒物质。1、传播时间式的超声流量计声波在流动着的液体中传播时，如顺流方向传播，则声波的速度会增大，当逆流方向传播时，则声波的速度会减小，从而有不同的传播时间。这种流量计正是根据这样一个基本的物理现象而工作的。通过测量两种不同的传播时间，就可以推算管道中

21、流体的流速。在工程实际中，为了更好地估算平均流速和平均体积流量，采用的传声通道已多达四个。这种超声流量传感器的工作原理如下图所示，超声波脉冲由装在管道上游的电压式发射器发出。这种脉冲以声速通过液体，由装载下游的接收器检测出，实际上，这里上游的发射器TR1和下游的接收器TR2是轮流交替地被用作发射器和接收器的，通过一个转换开关，可以把超声波的传播途径倒过来。2、多普勒式超声流量计这种流量计是利用流体中的散射体（微粒物质）对声能的反射原理工作的，即将超声波射束放射于与同一速度流动的微粒子，并由接收器接收从微粒子反射回来的超声波信号，通过测量多普勒频移来求出流速，从而求出体积流量。可以用发射器本身，

22、寄同一个换能器作接收器，也可以用另一个单独的换能器作接收器。因为多普勒超声流量计是利用频率来测量流速的，故不易受信号接收波振幅变化的影响，即使是含有大量杂质的流体也能测量，适合测量比较脏污的流体。与超声波传输时间差的测量方式相比，其最大的特点是相对于流速变化的灵敏非常之大。工业用超声波流量计是按照一个总体的系统设计的。一次装置包括两个或两个以上的换能器，一种方案是将它们永久地装在一段短管上；另一种方案是将它们固定在现有的工艺管道上。二次装置的功能是进行时间或频率的测量、数据处理、进行雷诺数据校正或其它校正的运算并输出标准信号。2.5.4超声波探伤1、透射式透射式探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化状况来判断工件内部质量的方法。透射法将两个探头分别置于工件相对两面，一个发射