传感器原理及工程应用

传感器原理及工程应用第一页，共三十二页，2022年，8月28日10.1超声波及其物理性质10.1超声波及其物理性质振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波,如图10-1所示。频率在3×108~3×1011Hz之间的波，称为微波。第二页，共三十二页，2022年，8月28日图10-1声波的频率界限图当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。第三页，共三十二页，2022年，8月28日10.1.1超声波的波型及其传播速度声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。第四页，共三十二页，2022年，8月28日超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为式中：ρ——介质的密度；

Ba——绝对压缩系数。上述的ρ、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化，表10-1为蒸馏水在0～100℃时声速随温度变化的数值。（10-1）第五页，共三十二页，2022年，8月28日表10-10～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化第六页，共三十二页，2022年，8月28日表10-10～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化第七页，共三十二页，2022年，8月28日从表10-1可见，蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变化而变化，在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及其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的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。第八页，共三十二页，2022年，8月28日10.1.2超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射，如图10-2所示。第九页，共三十二页，2022年，8月28日图10-2超声波的反射和折射第十页，共三十二页，2022年，8月28日由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′的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的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即（10-2）声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:(10-3)第十一页，共三十二页，2022年，8月28日(10-4)式中：I0,Ir,It——分别为入射波、反射波、透射波的声强；

α、β——分别为声波的入射角和折射角；

ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度。第十二页，共三十二页，2022年，8月28日当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则(10-6)(10-5)第十三页，共三十二页，2022年，8月28日由式（10-5）和式（10-6）可知，若ρ2c2≈ρ1c1，则反射系数R≈0，透射系数T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若ρ2c2>>ρ1c1,反射系数R≈1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当ρ1c1>>ρ2c2时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。如：在20℃水温时，水的特性阻抗为ρ1c1=1.48×106kg/(m2·s),空气的特性阻抗为ρ2c2=0.000429×106kg/(m2·s),ρ1c1>>ρ2c2,故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。第十四页，共三十二页，2022年，8月28日10.1.3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（10-7）（10-8）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；

α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。第十五页，共三十二页，2022年，8月28日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。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。第十六页，共三十二页，2022年，8月28日10.2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。第十七页，共三十二页，2022年，8月28日超声波探头结构如图10-3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δ。超声波频率f与其厚度δ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，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。第十八页，共三十二页，2022年，8月28日图10-3压电式超声波传感器结构第十九页，共三十二页，2022年，8月28日10.3超声波传感器应用10.3.1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。第二十页，共三十二页，2022年，8月28日图10-4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10-4（a）所示。由于超声波在液体中衰减比较小，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10-4（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。第二十一页，共三十二页，2022年，8月28日图10-4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第二十二页，共三十二页，2022年，8月28日对于单换能器来说，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（10-9）（10-10）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。第二十三页，共三十二页，2022年，8月28日对于如图10-4所示双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而（10-11）因此液位高度为（10-12）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。第二十四页，共三十二页，2022年，8月28日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。第二十五页，共三十二页，2022年，8月28日10.3.2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。第二十六页，共三十二页，2022年，8月28日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,如图10-5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（10-13）（10-14）第二十七页，共三十二页，2022年，8月28日图10-5超声波测流量原理图第二十八页，共三十二页，2022年，8月28日一般来说，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（10-15）由于c>>v,从上式便可得到流体的流速，即（10-16）第二十九页，共三十二页，2022年，8月28日图10-6超声波传感器安装位置