8超声波传感器.ppt
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1、10.1超声波及其物理性质超声波及其物理性质10.2超声波传感器超声波传感器10.3超声波传感器的应用超声波传感器的应用第第10章章超声波传感器超声波传感器返回主目录第第10章章超声波传感器超声波传感器 10.1超声波及其物理性质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。频率在162104 Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波;低于16 Hz的机械波,称为次声波;高于2104 Hz的机械波,称为超声波。如图10-1。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,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。一、一、超声波的波形及其转换超声波的波形及其转
2、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,声波的波型也不同。通常有:纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波;横波质点振动方向垂直于传播方向的波;表面波质点的振动介于横波与纵波之间,沿着表面传播的波。横波只能在固体中传播,纵波能在固体、液体和气体中传播,表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量,应多采用纵波。纵波、横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度,气体中声速为344 m/s,液体中声速在9001900 m/s。当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时,除有纵波的反射、折射外,还发生横波的反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波。二、二、超声
3、波的反射和折射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。由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,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 三、三、超声波的衰减超声波的衰减 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 Px=P0e-x (10
4、-2)Ix=I0e-2x (10-3)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;衰减系数,单位为Np/m(奈培/米)。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。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的,介质吸收声能并转换为热能。10.2超声波传感器超声波传感器 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,
5、而以压电式最为常用。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。超声波探头结构如图10-3所示,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。超声波频率f与其厚度成反比。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。10.3超声波
6、传感器的应用超声波传感器的应用 一、一、超声波物位传感器超声波物位传感器 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。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水中,让超声波在液体中传播。由于超声波在液体中衰减比较小,所以即使发生的超声脉冲幅度较小也可
7、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,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。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的时间为 式中:h换能器距液面的距离;v超声波在介质中传播的速度。对于双换能器来说,超声波从发射到被接收经过的路程为2s,而 s=(10-6)因此液位高度为 h=(s2-a2)1/2 (10-7)式中:s超声波反射点到换能器的距离;a两换能器间距之半。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间隔时间,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
8、动,便会有较大的误差。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10-2104 m。二、二、超声波流量传感器超声波流量传感器 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的传输速度是不同的,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。如果在流体中设置两个超声波传感器,它们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。如设顺流方向的传输时间为t1,逆流方向的传输时间为t2
9、,流体静止时的超声波传输速度为c,流体流动速度为v,则 t1=(10-8)t2=(10-9)一般来说,流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度,那么超声波传播时间差为 t=t2-t1=(10-10)由于cv,从上式便可得到流体的流速,即 v=(10-11)在实际应用中,超声波传感器安装在管道的外部,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,如图10-6所示。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、高粘度的流体、浆状流体,只要能传输超声波的流体都可以进行测量。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。还可用于下水道
10、、农业灌溉、河流等流速的测量。蝙蝠依靠超声波捕食蝙蝠依靠超声波捕食 超声波与可闻声波不同,超声波与可闻声波不同,它可以被聚焦,具有能量集中它可以被聚焦,具有能量集中的特点。的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下,可得到压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下,可得到较大功率的超声波,可以被聚焦,能用于集成电路及塑料的焊较大功率的超声波,可以被聚焦,能用于集成电路及塑料的焊接。接。超声波塑料超声波塑料焊接机焊接机超声波金丝焊超声波金丝焊接机接机 超声波被聚焦后超声波被聚焦后,具有较好的方向性,在遇到两具有较好的方向性,在遇到两种介质
11、的分界面时,能产生明显的反射和折射现象,这种介质的分界面时,能产生明显的反射和折射现象,这一现象类似于光波。一现象类似于光波。便携式超声波便携式超声波探鱼器探鱼器超声波在医学检查中的超声波在医学检查中的应用应用 胎儿的胎儿的 B超影像超影像超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时,会对当弱的声波信号作用于液体中时,会对液体产生一定的负压,即液体体积增加,液液体产生一定的负压,即液体体积增加,液体中分子空隙加大,形成许多微小的气泡;体中分子空隙加大,形成许多微小的气泡;而当强的声波信号作用于液体时,则会对液而当强的声波信号作用于液体时,则会对液体产生一定的正压,即液体体
12、积被压缩减小,体产生一定的正压,即液体体积被压缩减小,液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明:液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明:超声波作用于液体中时,液体中每个气泡的超声波作用于液体中时,液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波,相当于瞬间破裂会产生能量极大的冲击波,相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力,这种现象被称之为力,这种现象被称之为“空化作用空化作用”,超声,超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多
13、用于半导体、机械、玻璃、医疗超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。仪器等行业。超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器(参考湖南省浏阳市医用仪具厂(参考湖南省浏阳市医用仪具厂、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料)、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料)超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物横波横波表面波表面波超声波换能器及耦合技术超声波换能器及耦合技术 超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种,的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种,在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为在检
14、测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。及其他专用探头等。各种超声波探头各种超声波探头 (以下(以下参考常州市常超检测设备有限公司资料)参考常州市常超检测设备有限公司资料)常用频率范围:常用频率范围:0.50.510MHz10MHz,常见晶片直径:常见晶片直径:5 530mm30mm接触式直探头接触式直探头(纵波垂直入射(纵波垂直入射到被检介质)到被检介质)外壳用金属制外壳用金属制作,保护膜用硬度作
15、,保护膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作,防止压电晶片作,防止压电晶片磨损。磨损。保护膜保护膜接插件接插件接触式接触式 直探头原理直探头原理超声脉冲电超声脉冲电压输入端压输入端 接地端接地端接触式斜探头接触式斜探头(横波、瑞利波或兰姆波探头(横波、瑞利波或兰姆波探头)压电晶片粘贴在与底面成一定角度(如压电晶片粘贴在与底面成一定角度(如3030、4545 等)的有机玻璃斜楔块上,当斜等)的有机玻璃斜楔块上,当斜楔块与不同材料的被测介质(试件)接触楔块与不同材料的被测介质(试件)接触时,超声波将产生一定角度的折射,倾斜时,超声波将产生一定角度的折射,倾斜入射到试件中去,可产生多次反射,而传
16、入射到试件中去,可产生多次反射,而传播到较远处去。播到较远处去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件各种接触式斜探头各种接触式斜探头常用频率范围:常用频率范围:1 15MHz5MHz接触法双晶直探头接触法双晶直探头 将两个单晶探头组合将两个单晶探头组合装配在同一壳体内,其中装配在同一壳体内,其中一片发射超声波,另一片一片发射超声波,另一片接收超声波。两晶片之间接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂双晶探头的结构虽然复杂些,但检测精度比单晶直些,但检测精度比单晶直探头高,且超声信号的反探头高,且超声信号
17、的反射和接收的控制电路较单射和接收的控制电路较单晶直探头简单。晶直探头简单。发射晶片发射晶片接收晶片接收晶片各种双晶直探头各种双晶直探头 焦距范围:焦距范围:5 540mm,40mm,频率范围:频率范围:2.52.55MHz5MHz,钢中折射角:钢中折射角:4545 7070 接触法双晶斜探头(续)接触法双晶斜探头(续)水浸探头水浸探头(可用自来水作为耦合剂)(可用自来水作为耦合剂)选择声选择声透镜形状,透镜形状,可决定聚焦可决定聚焦形式为点聚形式为点聚焦或线聚焦。焦或线聚焦。聚焦探头聚焦探头由于超声波的波长很短(由于超声波的波长很短(毫米毫米数量级),数量级),所以它也类似光波,可以被聚焦成
18、十分细的所以它也类似光波,可以被聚焦成十分细的声束,其直径可小到声束,其直径可小到1mm左右,可以分辨试左右,可以分辨试件中细小的缺陷,这种探头称为聚焦探头。件中细小的缺陷,这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波;也可以采用两种不同声速的塑料来制声波;也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜;也可以利用类似光学反射镜的原作声透镜;也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。理制作声凹面镜来聚焦超声波。聚焦探头原理及外形聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头水浸聚焦探头超声波探头中的压电陶瓷芯片超声波探头中的压电陶瓷芯片 将将数百伏数百
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