《传感器与检测技术》课件-5.2超声波传感器

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01超声波传感器工作原理02超声波传感器基本结构03超声波传感器实际测量案例01SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY超声波传感器工作原理1超声波的特点

人耳能听到的声波频率在20Hz～20kHz之间。超过20kHz的称为超声波，低于20Hz的称为次声波，如图14.1所示。常用的超声波频率为几万赫兹到几十兆赫兹。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。图14.1声波的频率界限图一、超声波传感器工作原理1超声波的特点1.波形及其转换由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，超声波的波型也不同，通常有三种形式：纵波、横波、表面波。2.传播速度超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。气体中声速约344m/s、液体中为900～1900m/s；在固体中纵波、横波、表面波三者的声速有一定的关系，通常横波声速约为纵波的一半，表面波声速约为横波的90%。在钢材中的纵波声速约5000m/s。3.反射及折射超声波在两种介质中传播时，在它们的交界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射界面，在另一介质内继续传播，称为折射波。一、超声波传感器工作原理1超声波的特点

一、超声波传感器工作原理1超声波的特点

一、超声波传感器工作原理2超声波传感器的工作原理图14.2超声波传感器的工作原理

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。一、超声波传感器工作原理2超声波传感器的工作原理

以超声波发生器为例，超声波发生器将电磁能转换成机械能，压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。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14.2所示。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。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，压电效应换能器可产生几万赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。一、超声波传感器工作原理02SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY超声波传感器基本结构1超声波探头的结构图14.3超声波探头结构

超声波探头结构如图14.3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。二、超声波传感器基本结构1超声波探头的结构其结构分为两部分：（1）产生高频电流或电压的电源；（2）换能器，它将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波。超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应。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。二、超声波传感器基本结构2超声波探头耦合

超声波传感器一般不能直接将其放在被测介质（特别是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损，所以通常用耦合剂来进行超声波的传递。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。使用超声耦合剂的目的首先是充填接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响超声的穿透；其次是通过耦合剂“过渡”作用，使探头与被测物之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的反射损失。另外，还起到“润滑”作用，减小探头面与表面之间的摩擦，使探头能灵活的滑动探查。二、超声波传感器基本结构03SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY超声波传感器实际测量案例1超声波测量厚度

超声波测厚主要有脉冲回波法，共振法、干涉法等几种。应用较广的是脉冲回波法。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收，工作原理如图14.4所示。三、超声波传感器实际测量案例1超声波测量厚度图14.4超声波测厚工作原理如果超声波在工件中的声速v是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波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δ=vt/2。三、超声波传感器实际测量案例2超声波物位传感器

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。如果从发射超声波脉冲开始，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均使用一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。三、超声波传感器实际测量案例2超声波物位传感器

超声波发射和接收换能器可设置在液体中，让超声波在液体中传播。由于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。发射和接收换能器也可以安装在液面上方，让超声波在空气中传播，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。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，便会有较大的误差。图14.5超声波物位传感器工作原理三、超声波传感器实际测量案例2超声波物位传感器

三、超声波传感器实际测量案例3超声波流量传感器

超声波流量传感器的测定原理是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传输时间差法，它利用的是超声波在静止流体和流动流体中的传输速度不同。图14.6超声波传感器内部安装位置图三、超声波传感器实际测量案例3超声波流量传感器

在实际应用中，超声波传感器安装在管道的外部，如图14.7所示，从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响。超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测流体种类很多，不论是非导电的流体。还是高黏度的