超声波传感器的特性

超声波传感器超声波传感器的特性第1页测距离超声波传感器的特性第2页超声波传感器的特性第3页测料位超声波传感器的特性第4页测流量超声波传感器的特性第5页无损探伤超声波传感器的特性第6页B-scanultrasoundimagingtechnology超声波传感器的特性第7页测厚度超声波传感器的特性第8页美国维吉尼亚级潜艇超声波传感器的特性第9页超声波传感器的特性第10页超声波传感器特征超声波概述超声波传感器种类超声波传感器工作原理超声波传感器结构超声波传感器特征超声波传感器应用超声波传感器的特性第11页（一）超声波概述声音实质机械振动在媒质中传输。（声速，波长，频率）超声波传感器的特性第12页超声波波型及其传输速度当声源在介质中施力方向与波在介质中传输方向不一样时，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，它能在固体、液体和气体介质中传输；②横波：质点振动方向垂直于传输方向波，它只能在固体介质中传输；③表面波：质点振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传输，其振幅随深度增加而快速衰减波，表面波只在固体表面传输。超声波传感器的特性第13页超声波传感器的特性第14页超声波传输速度与介质密度和弹性特征相关。超声波在气体和液体中传输时，因为不存在剪切应力，所以仅有纵波传输，其传输速度c为式中：ρ——介质密度；

Ba——绝对压缩系数。上述ρ、Ba都是温度函数，所以超声波在介质中传输速度随温度改变而变化。声速随温度增加而减小。超声波传感器的特性第15页另外，水质、压强也会引发声速改变。在固体中，纵波、横涉及其表面波三者声速有一定关系，通常可认为横波声速为纵波二分之一，表面波声速为横波声速90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。超声波传感器的特性第16页声波频率超声波传感器的特性第17页1830年法国Savart音调极限试验：存在听不到声音超声波传感器的特性第18页次声超声可听声超声是频率大于两万赫兹声波。超声波传感器的特性第19页铁丝直径小于0.07mm碰撞铁丝直径大于0.34mm不碰撞蝙蝠飞行本事回音定位超声波传感器的特性第20页超声波反射和折射由物理学知，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β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，即超声波传感器的特性第21页超声波衰减

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式中：Px、Ix——距声源x处声压和声强；

x——声波测量点与声源间距离；

α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。超声波传感器的特性第22页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。散射衰减是指超声波在介质中传输时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传输方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子形状、尺寸、数量、介质性质和散射粒子性质相关。吸收衰减是因为介质粘滞性，使超声波在介质中传输时造成质点间内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，经过热传导进行热交换，造成声能损耗。超声波传感器的特性第23页（二）超声波传感器原理及结构

利用超声波在超声场中物理特征和各种效应而研制装置称为超声波传感器、探测器或换能器，也称为探头。超声波是一个振动频率高于声波机械波，由换能材料在电压激励下发生振动产生，它含有频率高、波长短、绕射现象小，尤其是方向性好、能够成为射线而定向传输等特点。超声波对液体、固体穿透本事很大，尤其是在阳光不透明固体中，它可穿透几十米深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。所以超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器的特性第24页超声波传感器的特性第25页压电式超声波传感器基本工作原理

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。压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。

超声波发送器是利用逆向压电效应制成——即在压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引发空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式传输，传送给超声波接收器。超声波接收器是利用正向压电效应制成——即接收到超声波促使接收器振子伴随对应频率进行振动，因为存在正向压电效应，就产生与超声波频率相同高频电压。当然这种电压非常小，必须采取放大器进行放大。超声波传感器的特性第26页超声波探头结构如图所表示，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。压电晶片两面镀有银层，作导电极板。阻尼块作用：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。超声波传感器结构超声波传感器的特性第27页基座双压电陶瓷晶片锥形振子屏蔽栅外壳空气中用超声波传感器结构如右图所表示，采取双压电陶瓷晶片结构。将双压电陶瓷晶片固定安装在基座上，为了增强其效果，在压电晶片上面加装了锥形振子，最终将其装在金属壳体中并伸出两根引线。发送超声波时，圆锥形振子有较强方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波振动集中于振子中心，所以能产生高效率高频电压。超声波传感器的特性第28页（三）超声波传感器特征

3.1频率特征接收超声波发送超声波超声波传感器的特性第29页3.2指向性特征超声波传感器的特性第30页3.3温度特征3.4阻抗特征阻抗频率并联谐振串联谐振超声波传感器的特性第31页通常发送传感器工作于输出最大串联谐振频率，而接收传感器工作于接收灵敏度最高并联谐振频率；经过试验发觉，发送传感器串联谐振频率与接收传感器并联谐振频率几乎一致。所以超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附近使用。超声波接收头必须采取与发射头对应型号，关键是谐振频率要一致，不然将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。另外，超声波传感器含有高阻特征，驱动电流小，要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。

超声波传感器的特性第32页1、工作频率。工作频率就是压电晶片共振频率。当加到它两端交流电压频率和晶片共振频率相等时，输出能量最大，灵敏度也最高。2、工作温度。因为压电材料居里点普通比较高，尤其时诊疗用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，能够长时间地工作而不失效。医疗用超声探头温度比较高，需要单独制冷设备。3、灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。3.5性能指标超声波传感器的特性第33页超声波传感器-性能参数超声波传感器的特性第34页（四）超声波传感器应用

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。超声波传感器的特性第35页几个超声物位传感器结构原理示意图(a)超声波在液体中传输；(b)超声波在空气中传输超声波传感器的特性第36页上图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在液体介质中，让超声波在液体介质中传输，如图（a）所表示。因为超声波在液体中衰减比较小，所以即使发射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，如图（b）所表示。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。超声波传感器的特性第37页对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器时间为则式中：h——换能器距液面距离；

c——超声波在介质中传输速度。超声波传感器的特性第38页对于如图（b）所表示双换能器，超声波从发射到接收经过旅程为2s，而所以液位高度为式中：s——超声波从反射点到换能器距离；

a——两换能器间距之半。超声波传感器的特性第39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时间间隔，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，便会产生较大误差。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。超声波传感器的特性第40页测料位超声波传感器的特性第41页2.超声波流量传感器

超声波流量传感器测定方法是多样，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。超声波传感器的特性第42页假如在流体中设置两个超声波传感器，它们既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，则超声波传感器的特性第43页所以超声波传输时间差为普通来说，流体流速远小于超声波在流体中传输速度，即c>>v,从上式便可得到流体流速，即超声波传感器的特性第44页图2超声波传感器安装位置超声波传感器的特性第45页此时超声波传输时间将由下式确定：超声波传感器的特性第46页超声波流量传感器含有不妨碍流体流动特点，可测流体种类很多，不论是非导电流体、高粘度流体，还是浆状流体，只要能传输超声波流体都能够进行测量。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。还适合用于下水道、农业灌渠、河流等流速测量。超声波传感器的特性第47页测流量超声波传感器的特性第48页无损探伤超声波传感器的特性第49页测距离超声波传感器的特性第50页测厚度超声波传感器的特性第51页超声波传感器的特性第52页超声波传感器的特性第53页超声波传感器-检测好坏超声波传感器用万用表直接测试是没有什么反应。要想测试超声波传感器好坏能够搭一个音频振荡电路，当C1为3900μF时，在反相器⑧脚与⑩脚间可产生一个1.9kHz左右音频信号。把要检测超声波传感器(发射和接收)接在⑧脚与⑩脚之间;假如传感器能发出音频声音，基本就能够确定比超声波传感器是好。注：C1=3900μF时，为1.9kHZ左右；C1=0.01μF时，约0.76kHZ。超声波传感器的特性第54页超声波传感器选型

普通市售超声波传感器有专用型和兼用型两种：专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器谐振频率（即压电元件中心频率）为23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。因为超声波在空气中传输时衰减很大，衰减程度与频率成正比，不过谐振频率越高则分辨率也会越高，则检测距离变短，所以短距离测量时普通选频率高传感器（100kHz以上），长距离测距只能选频率低传感器。

超声波传感器的特性第55页超声波传感器特征

本系统所使用发射器和接收器是以中心频率（或谐振频率）和直径为参数来划分：其型号为TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示传感器工作中心频率（或谐振频率）为40kHz，16表示传感器外形直