超声波传感器原理讲述专家讲座

10.1超声涉及其物理性质10.2超声波传感器10.3超声波传感器应用第10章超声波传感器返回主目录超声波传感器原理讲述专家讲座第1页第10章超声波传感器

10.1超声涉及其物理性质振动在弹性介质内传输称为波动,简称波。频率在16~2×104Hz之间,能为人耳所闻机械波,称为声波;低于16Hz机械波,称为次声波;高于2×104Hz机械波,称为超声波。如图10-1。当超声波由一个介质入射到另一个介质时,因为在两种介质中传输速度不一样,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。超声波传感器原理讲述专家讲座第2页超声波传感器原理讲述专家讲座第3页

一、超声波波形及其转换因为声源在介质中施力方向与波在介质中传输方向不一样,声波波型也不一样。通常有:①纵波——质点振动方向与波传输方向一致波;②横波——质点振动方向垂直于传输方向波;③表面波——质点振动介于横波与纵波之间，沿着表面传输波。横波只能在固体中传输，纵波能在固体、液体和气体中传输,表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下物理量,应多采取纵波。纵波、横涉及其表面波传输速度取决于介质弹性常数及介质密度,气体中声速为344m/s,液体中声速在900~1900m/s。超声波传感器原理讲述专家讲座第4页当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）界面上时,除有纵波反射、折射外,还发生横波反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波。

二、超声波反射和折射声波从一个介质传输到另一个介质,在两个介质分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面,在另一个介质内部继续传输。这么两种情况称之为声波反射和折射,如图10-2所表示。超声波传感器原理讲述专家讲座第5页超声波传感器原理讲述专家讲座第6页由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角α正弦与反射角α′正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时,入射角α正弦与折射角正弦之比,等于入射波在第一介质中波速C1与折射波在第二介质中波速C2之比,即

三、超声波衰减声波在介质中传输时,伴随传输距离增加,能量逐步衰减,其衰减程度与声波扩散、散射及吸收等原因相关。其声压和声强衰减规律为Px=P0e-αx

(10-2）Ix=I0e-2αx

(10-3）超声波传感器原理讲述专家讲座第7页式中:Px、Ix——距声源x处声压和声强;x——声波与声源间距离;α——衰减系数,单位为Np/m（奈培/米）。声波在介质中传输时,能量衰减决定于声波扩散、散射和吸收,在理想介质中,声波衰减仅来自于声波扩散,即随声波传输距离增加而引发声能减弱。散射衰减是固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质导热性、粘滞性及弹性滞后造成,介质吸收声能并转换为热能。超声波传感器原理讲述专家讲座第8页10.2超声波传感器利用超声波在超声场中物理特征和各种效应而研制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,而以压电式最为惯用。压电式超声波探头惯用材料是压电晶体和压电陶瓷,这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料压电效应来工作: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;而利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可用为接收探头。超声波传感器原理讲述专家讲座第9页超声波探头结构如图10-3所表示,主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。压电晶片多为圆板形,厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片两面镀有银层,作导电极板。阻尼块作用是降低晶片机械品质,吸收声能量。假如没有阻尼块,当激励电脉冲信号停顿时,晶片将会继续振荡,加长超声波脉冲宽度,使分辨率变差。超声波传感器原理讲述专家讲座第10页超声波传感器原理讲述专家讲座第11页10.3超声波传感器应用

一、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分界面上反射特征而制成。假如从发射超声脉冲开始,到接收换能器接收到反射波为止这个时间间隔为已知,就能够求出分界面位置,利用这种方法能够对物位进行测量。依据发射和接收换能器功效,传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器传感器发射和接收超声波均使用一个换能器,而双换能器传感器发射和接收各由一个换能器担任。超声波传感器原理讲述专家讲座第12页图10-4给出了几个超声物位传感器结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置水中,让超声波在液体中传输。因为超声波在液体中衰减比较小,所以即使发生超声脉冲幅度较小也能够传输。超声波发射和接收换能器也能够安装在液面上方,让超声波在空气中传输,这种方式便于安装和维修,但超声波在空气中衰减比较厉害。对于单换能器来说,超声波从发射到液面,又从液面反射到换能器时间为超声波传感器原理讲述专家讲座第13页超声波传感器原理讲述专家讲座第14页式中:h——换能器距液面距离;v——超声波在介质中传输速度。对于双换能器来说,超声波从发射到被接收经过旅程为2s,而s=（10-6）所以液位高度为h=（s2-a2）1/2（10-7）式中:s——超声波反射点到换能器距离;a——两换能器间距之半。超声波传感器原理讲述专家讲座第15页从以上公式中能够看出,只要测得超声波脉冲从发射到接收间隔时间,便能够求得待测物位。超声物位传感器含有精度高和使用寿命长特点,但若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大误差。在普通使用条件下,它测量误差为±0.1%,检测物位范围为10-2～104m。

二、超声波流量传感器超声波流量传感器测定原理是多样,如传输速度改变法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但当前应用较广主要是超声波传输时间差法。超声波在流体中传输时,在静止流体和流动流体中传输速度是不一样,利用这一特点能够求出流体速度,再依据管道流体截面积,便可知道流体流量。超声波传感器原理讲述专家讲座第16页假如在流体中设置两个超声波传感器,它们能够发射超声波又能够接收超声波,一个装在上游,一个装在下游,其距离为L。如图10-5所表示。如设顺流方向传输时间为t1,逆流方向传输时间为t2,流体静止时超声波传输速度为c,流体流动速度为v,则t1=（10-8）t2=（10-9）普通来说,流体流速远小于超声波在流体中传输速度,那么超声波传输时间差为超声波传感器原理讲述专家讲座第17页超声波传感器原理讲述专家讲座第18页

Δt=t2-t1=（10-10）从上式便可得到流体流速,即v=