传感器原理及工程应用(第三版)郁有文1-5第10章..ppt

1、10章超声波传感器、10.1超声波和物理特性10.2超声波传感器10.3超声波传感器应用、10.1超声波和物理特性、10.1超声波和物理特性振动在弹性介质中传播称为波。其频率在162104 Hz之间，能用耳朵听到的机械波称为声波。低于16 Hz的机械波，称为次声；如图10-1所示，称为超声波的2104 Hz以上的机械波。频率在310831011 Hz之间的波称为微波。图10-1声波的频率极限，超声波从一种介质入射到另一种介质时，两种介质中的传播速度不同，因此在介质接口中发生反射、折射、波转换等现象。10.1.1超声波波形和传播速度声源在介质中施加力的方向以及波在介质中的传播方向不同，声波的波形

2、也不同。普通：纵波：粒子振动方向与波的传播方向一致的波，可以在固体、液体和气体介质中传播。横波：粒子振动方向垂直于传播方向的波，仅在固体介质中传播。面波：质点的振动位于横波和纵波之间，沿介质表面传播，振幅随深度迅速减小的波，面波仅传播到固体表面。超声波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没有剪切应力，因此只有纵波的传播，传播速度C是形式中：介质的密度。Ba绝对压缩系数。如上所述，Ba都是温度的函数，使超声波传播到介质的速度随温度变化。表10-1是蒸馏水在0100时声速随温度变化的数值。(10-1)，表10-1 0100范围内蒸馏水声速温度变化，表10-1 0100范围内

3、蒸馏水声速温度变化，表10-1所示，蒸馏水温度在0100范围内，声速温度变化，74点最大值，水质和压力也会引起声速变化在固体中，纵波、横波和其表面波三种声速有一定关系，一般认为横波声速是纵波的一半，表面波声速是横波声音的90%。气体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速为9001900m/s。10.1.2超声波反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质，在两种介质的分界面上，部分声波反射，另一部分通过接口传播，在另一种介质内继续传播。这两种情况称为声波的反射和折射，如图10-2所示。图10-2超声波反射和折射，根据物理学，波在界面上产生反射时入射角的正弦与反射角的正弦比等于波速。波在界面上产

4、生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦比率可以在第一介质中获得入射波的波速C1与折射波的第二介质中的波速C2的比率，即(10-2)，声波的反射系数和透射系数分别通过以下两种方式获得3360，(10-3)，分别获得声波的入射角和折射角；1c1、2c2分别是两种介质的声音阻抗。其中C1和C2分别是反射波和折射波的速度。超声波垂直入射接口，即=0时，(10-6)，(10-5)，表达式(10-5)和表达式(10-6)。2c21c1，反射系数R1时，声波几乎完全反射在界面上，几乎没有透射。同样，在1c1 2c2处，反射系数R1，声波在界面上几乎完全反射。例如：在20水温下，水的特性阻抗为1c1=1.481

5、06kg/(m2s)，空气的特性阻抗为2c2=0.000 429106 kg/(m2s)，1c1 2c2，因此如果超声波从水介质传送到水蒸气接口，则为10.1声压和声强的衰减规律为(10-7)、(10-8)，形式为：Px，Ix在声源X处声压和火星强。x声波和声源之间的距离；衰减系数(Np/cm纳米/厘米)。声波在介质中传播时能量的衰减由声波的扩散、散射和吸收决定。理想介质中声波的衰减仅发生在声波的扩散中。也就是说，随着声波传播距离的增加，声能减弱。散射衰减是指超声波通过介质传播时，固体介质中的粒子界面或流体介质中的悬浮粒子散射声波，其中一些粒子不再向原始传播方向移动，而是形成散射。散射衰减与散

6、射粒子的形状、大小、数量、介质的特性和散射粒子的特性有关。吸收衰减是由于介质粘度引起的，超声波在介质中传播时，质点之间发生内部摩擦，部分声音转换为热，通过热传导进行热交换，从而导致声能量损失。利用10.2超声波传感器、超声波场的超声波物理特性和各种效果开发的装置称为超声波转换器、探测器或传感器。超声波探头可以根据工作原理分为压电、磁致伸缩、电磁式等，其中压电式是最常用的。压电超声探针常用的材料是压电郑秀晶和压电陶瓷，该传感器统称为压电超声探针。利用压电材料的压电效应工作。逆压力效应将高频电振动转换为高频机器振动，产生超声波，可以用作发射探针。正压电效应可以将超声振动波转换为电信号来接收探针。超

7、声波探头结构主要由压电芯片、吸收块(阻尼块)、保护膜、引线等组成，如图10-3所示。压电晶片大部分是圆形的，厚度是。超声波频率f与厚度成反比。压电芯片的两侧镀有银层，形成导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械质量，吸收声能。如果没有阻尼块，刺激的电脉冲信号停止的话，芯片会继续振动，增加超声波的脉冲宽度，从而降低分辨率。图10-3压电超声传感器结构，10.3超声波传感器应用，10.3.1超声波水平传感器超声波水平传感器在两种介质的分界面上利用超声波的反射特性制作。如果从发射超声波脉冲到接收反射波的间隔已知，则可以求出界面的位置，并且可以使用此方法测量水位。根据收发器的功能，传感器可以分为单转换

8、器和双转换器。单转换器的传感器使用相同的转换器发射和接收超声波，双转换器的传感器各由一个转换器负责。图10-4显示了多个超声波液位传感器的结构图。超声波发射和接收转换器可以如图10-4(a)所示安装在液体介质上，从而使超声波传播到液体介质上。超声波在液体中衰减少，所以即使发射的超声波脉冲宽度小，也能传播。超声波发射和接收转换器也可以安装在液面以上，从而使超声波在空气中传播，如图10-4(b)所示。这种方式安装和维修方便，但超声波在空气中的衰减比较严重。图10-4多个超声波液位传感器的结构原理图(A)超声波在液体中传播。(B)超声波在空气中传播，对于单个转换器，超声波从发射器到液面，再从液面反射

9、到转换器的时间是，(10-9)，(10-10)，(10-10)，在式中：H转换器偏离液面的距离。c超声波在介质中传播的速度。对于图10-4所示的双转换器，超声波是从发射到接收的距离为2s，(10-11)因此水位高度为(10-12)，格式中：S超声波是从反射点到转换器的距离。a两个转换器间距的一半。如上公式所示，超声波脉冲测量从发射到接收的时间间隔，就可以得到可测量的水位。(莎士比亚、超声波、超声波、超声波、超声波、超声波、超声波、超声波、超声波)超声波液位传感器具有精度高、寿命长的特点，但是液体中气泡或液面波动会产生很大的误差。在一般使用条件下，测量误差为0.1%，检测位的范围为10-2104m。10.3.2超声波流量传感器超声流量传感器测量方法有传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动清音法等多种多样。但是目前应用比较广泛，主要是超声波传播时差法。超声波在流体中传播时，停止流体和在流动流体中的传播速度不同。利用这个特征可以求出流体的速度，然后根据管道流体的横截面积知道流体的流动。在流体中安装两个超声波传感器，就可以发射超声波，接收超声波。一个在上游，一个在下游，距离为L(见图10-5)。下游方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为T2，流体停止时的超声波传播速度为C，流体流动速度为V，(10-13)